【C++初阶】第十一站：list的介绍及使用

前言：

🎯个人博客：Dream_Chaser

🎈博客专栏：C++

📚本篇内容：list的介绍及使用

list****的介绍及使用

1.list****的含义

    列表是序列容器，允许在序列内的任何位置进行常量时间的插入和删除操作，以及两个方向的迭代。

容器的分类：

2.list的介绍

*1.list是可以在常数范围内在任意位置进行插入和删除的序列式容器，并且该容器可以***前后双向迭代。 **

*2. list的底层是双向链表结构，双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中，在节点中***通过指针指向其前一个元素和后一个元素。 **

**3. list与forward_list非常相似：最主要的不同在于forward_list是单链表，只能朝前迭代，已让其更简单高效。 **

*4. 与其他的序列式容器相比(array，vector，deque)，list通常在任意位置进行插入、移除元素*的执行效率更好。 **

5. 与其他序列式容器相比，list和forward_list最大的缺陷是不支持任意位置的随机访问，比如：要访问list的第6个元素，必须从已知的位置(比如头部或者尾部)迭代到该位置，在这段位置上迭代需要线性的时间开销；list还需要一些额外的空间，以保存每个节点的相关联信息(对于存储类型较小元素的大list来说这可能是一个重要的因素）

3.list****的使用

list中的接口比较多，此处类似，只需要掌握如何正确的使用，然后再去深入研究背后的原理，已达到可扩展的能力。以下为list中一些常见的重要接口

1.list****的构造

构造函数（ (constructor)）

接口说明

**list (size_type n, const value_type& val = value_type()) **

构造的list中包含n个值为val的元素

**list() **

*构造空的***list **

**list (const list& x) **

拷贝构造函数

**list (InputIterator first, InputIterator last) **

用**[first, last)区间中的元素构造list**

void TestList1()
{
    list<int> l1;                         // 构造空的l1
    list<int> l2(4, 100);                 // l2中放4个值为100的元素
    list<int> l3(l2.begin(), l2.end());  // 用l2的[begin(), end()）左闭右开的区间构造l3
    list<int> l4(l3);                    // 用l3拷贝构造l4

    // 以数组为迭代器区间构造l5
    int array[] = { 16,2,77,29 };
    list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));

    // 列表格式初始化C++11
    list<int> l6{ 1,2,3,4,5 };

    // 用迭代器方式打印l5中的元素
    list<int>::iterator it = l5.begin();
    while (it != l5.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;

    // C++11范围for的方式遍历
    for (auto& e : l5)
        cout << e << " ";

    cout << endl;
}

*2.list iterator***的使用 **

此处，大家可暂时将迭代器理解成一个指针，该指针指向list****中的某个节点。

函数声明

**接口说明 **

begin +

**end **

返回第一个元素的迭代器+返回最后一个元素下一个位置的迭代器

rbegin +

rend

*返回第一个元素的*reverse_iterator,即end**位置，返回最后一个元素下一个位置的 **

*reverse_iterator,即begin***位置 **

**【注意】 **

1. begin与end为正向迭代器，对迭代器执行**++****操作，迭代器向后移动 **

2. *rbegin(end)与***rend(begin)为反向迭代器，对迭代器执行++**操作，迭代器向前移动

void TestList2()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
    list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
    // 使用正向迭代器正向list中的元素
    // list<int>::iterator it = l.begin();   // C++98中语法
    auto it = l.begin();                     // C++11之后推荐写法
    while (it != l.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;

    // 使用反向迭代器逆向打印list中的元素
    // list<int>::reverse_iterator rit = l.rbegin();
    auto rit = l.rbegin();
    while (rit != l.rend())
    {
        cout << *rit << " ";
        ++rit;
    }
    cout << endl;
}

**3.list capacity **

#include <iostream>
#include <list>

int main() {
    // 创建一个std::list并添加几个元素
    std::list<int> numbers = { 1, 2, 3, 4, 5 };

    // 使用size()方法打印列表中的元素数量
    std::cout << "The list contains " << numbers.size() << " elements." << std::endl;

    // 使用empty()方法检查列表是否为空，并打印结果
    if (numbers.empty()) {
        std::cout << "The list is empty." << std::endl;
    }
    else {
        std::cout << "The list is not empty." << std::endl;
    }

    // 移除所有元素后，再次使用empty()检查
    numbers.clear();
    if (numbers.empty()) {
        std::cout << "After clearing, the list is now empty." << std::endl;
    }

    return 0;
}

4.list element access

**函数声明 **

**接口说明 **

front

*返回list*的第一个节点中值的引用 **

**back **

返回list的最后一个节点中值的引用

**5 list modifiers **

函数声明

**接口说明 **

**push_front **

*在list首元素前插入值为val*的元素 **

**pop_front **

删除list中第一个元素

push_back

*在list尾部插入值为val*的元素 **

pop_back

删除list中最后一个元素

insert

*在*list position 位置中插入值为val*的元素*

erase

删除list position位置的元素

**swap **

交换两个list中的元素

**clear **

清空list中的有效元素

尾插尾删 和 头插头删

/ list迭代器的使用
// 注意：遍历链表只能用迭代器和范围for
void PrintList(const list<int>& l)
{
    // 注意这里调用的是list的 begin() const，返回list的const_iterator对象
    for (list<int>::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
    {
        cout << *it << " ";
        // *it = 10; 编译不通过
    }

    cout << endl;
}

//list插入和删除
// push_back/pop_back/push_front/pop_front
void TestList3()
{
    int array[] = { 1, 2, 3 };
    list<int> L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));

    // 在list的尾部插入4，头部插入0
    L.push_back(4);
    L.push_front(0);
    PrintList(L);

    // 删除list尾部节点和头部节点
    L.pop_back();
    L.pop_front();
    PrintList(L);
}

insert 和 erase

// insert /erase 
void TestList4()
{
    int array1[] = { 1, 2, 3 };
    list<int> L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));

    // 获取链表中第二个节点
    auto pos = ++L.begin();
    cout << *pos << endl;

    // 在pos前插入值为4的元素
    L.insert(pos, 4);
    PrintList(L);

    // 在pos前插入5个值为5的元素
    L.insert(pos, 5, 5);
    PrintList(L);

    // 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素
    vector<int> v{ 7, 8, 9 };
    L.insert(pos, v.begin(), v.end());
    PrintList(L);

    // 删除pos位置上的元素
    L.erase(pos);
    PrintList(L);

    // 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素
    L.erase(L.begin(), L.end());
    PrintList(L);
}

resize swap clear

void TestList5()
{
    // 用数组来构造list
    int array1[] = { 1, 2, 3 };
    list<int> l1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
    PrintList(l1);

    // 交换l1和l2中的元素
    list<int> l2;
    l1.swap(l2);
    PrintList(l1);
    PrintList(l2);

    // 将l2中的元素清空
    l2.clear();
    cout << l2.size() << endl;
}

6.list sort and reverse

void test_list2()
{
    list<int> lt;
    lt.push_back(1);
    lt.push_back(2);
    lt.push_back(3);
    lt.push_back(4);
    lt.push_back(5); 

    for (auto e : lt)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;
    
    lt.reverse();
    for (auto e : lt)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;

    //sort(lt.begin(), lt.end());//为什么这个不能用呢？那是因为，list是双向迭代器
    //而标准库里面的sort支持随机迭代器，要用list自己的sort函数 lt.sort

    //升序 < less
    lt.sort();
    //降序 > greater();
    //greater<int> gt;
    //lt.sort(gt);

    //匿名对象的排序，降序
    lt.sort(greater<int>());
    for (auto e : lt)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;
}

7.list copy vector copy list

 代码测这种性能要把它换成 Release，debug的优化没有全开的，导致递归和循环，次数比较多，差异是比较大的，但是Release的差距不大。

void test_op()
{ 
    // 初始化随机数生成器，使用当前时间作为种子
    srand(time(0));
    // 定义常量N，表示要生成的随机数个数
    const int N = 1000000;

    //创建两个空的list容器
    list<int> lt1;
    list<int> lt2;
    // 循环N次，生成随机数并将其添加到两个list中
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        auto e = rand(); // 生成一个随机数
        lt1.push_back(e); // 将随机数添加到lt1的末尾
        lt2.push_back(e); // 将相同的随机数添加到lt2的末尾
    }

    // 记录开始时间，单位为clock ticks（时钟滴答）
    int begin1 = clock();//返回程序所消耗的处理器时间。
    
    // 创建一个vector，使用lt2的begin和end迭代器初始化，复制lt2的内容
    vector<int> v(lt2.begin(), lt2.end());
    
    // 对vector v 进行排序，使用的是全局的std::sort函数，vector支持随机访问迭代器
    sort(v.begin(),v.end());

    // 将排序后的vector v的内容重新赋值给lt2，替换lt2当前的内容。
    lt2.assign(v.begin(),v.end());
    int end1 = clock(); // 记录结束时间

    int begin2 = clock(); // 记录另一个操作的开始时间
    lt1.sort(); // 直接对lt1进行排序，使用list容器自带的sort成员函数
    int end2 = clock(); // 记录结束时间

    // 输出两次排序操作所花费的时间（单位为clock ticks）
    printf("list copy vector sort copy list sort:%d\n",end1 - begin1);
    printf("list sort:%d\n",end2 - begin2);
}

8.unique and remove

void test_list4()
{
    list<int> lt;
    lt.push_back(1);
    lt.push_back(2);
    lt.push_back(3);
    lt.push_back(4);
    lt.push_back(3);
    lt.push_back(3);
    lt.push_back(3);
    lt.push_back(5);
    lt.push_back(5);
    lt.push_back(3);

    for (auto e : lt)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;
    
    lt.sort();
    lt.unique();//去掉重复的
    for (auto e : lt)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;

    //lt.remove(30);//删除不存在的，不会报错
    lt.remove(3);
    for (auto e : lt)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;
}

8.splice

将元素从x转移到容器中，并将它们插入位置。

void test_list5()
{
    list<int> mylist1, mylist2;
    list<int>::iterator it;

    for (int i = 1; i <= 4; ++i)
    {
        mylist1.push_back(i);//mylist1: 1 2 3 4
    }

    for (int i = 1; i <= 3; i++)
    {
        mylist2.push_back(i*10);//mylist2:10 20 30
    }

    it = mylist1.begin();
    ++it;   //指向mylist1里面的2元素
    
    for (auto e : mylist1)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;

    for (auto e : mylist2)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;
    
    //mylist1.splice(it,mylist2);//mylist1:1 10 20 30 2 3 4
                                 //mylist2(empty)
                                //"it" still points to 2 (the 5th element)
    
    //mylist1.splice(it, mylist2, ++mylist2.begin());//mylist:1 20 2 3 4
    //mylist1: 1 20 30 2 3 4

    mylist1.splice(it, mylist2, ++mylist2.begin(), mylist2.end());//mylist1:1 20 30 2 3 4 

    for (auto e : mylist1)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;

    for (auto e : mylist2)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;
}

9 *list***的迭代器失效 **

 前面说过，此处大家可将迭代器暂时理解成类似于指针，**迭代器失效即迭代器所指向的节点的无效，即该节点被删除了**。因为**list****的底层结构为带头结点的双向循环链表**，因此**在list****中进行插入时是不会导致****list****的迭代器失效的，只有在删除时才会失效，并且失效的只是指向被删除节点的迭代器，其他迭代器不会受到影响**。

pos这个位置使用完毕就失效了：

改正：

void TestListIterator()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
    list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
    auto it = l.begin();
    while (it != l.end())
    {
        l.erase(it++); // it = l.erase(it);
    }
}

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🧭更新时间：2024年 5 月 14 日