C++初阶(十一) list

一、list的介绍及使用

1.1 list的介绍

list的文档介绍

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)

 1.2 list的使用

 1.2.1. list的构造

(constructor)构造函数声明	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

 1.2.2. list iterator的使用

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（重点）	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​

1.2.3. list capacity

函数声明	接口说明
size	返回list中有效节点的个数
empty	检测list是否为空，是返回true，否则返回fals

1.2.4. list 元素访问

函数声明	接口说明
front	尾插
back	尾

 1.2.5. list增删查改

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

 list中还有一些操作，需要用到时可参阅list的文档说明。

代码演示:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	#include <iostream>
using namespace std;
#include <list>
#include <vector>// list的构造
void TestList1()
{list<int> l1;                         // 构造空的l1list<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l3list<int> l4(l3);                    // 用l3拷贝构造l4// 以数组为迭代器区间构造l5int array[] = { 16,2,77,29 };list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));   //array + sizeof(array) / sizeof(int) 是一个指向 array 数组最后一个元素的下一个位置的指针// 列表格式初始化C++11list<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 << " ";   //16 2 77 29++it;}cout << endl;/*C++11对于标准库中的容器类型，可以使用范围for循环来遍历其中的元素。*/ for (auto& e : l6)cout << e << " ";     //1 2 3 4 5cout << endl;cout << "-------------------------------------------------" << endl;}// list迭代器的使用
/*注意：遍历链表只能用迭代器和范围for,
* 因为链表（list）是一种双向链表结构，
它的元素不是在内存中连续存储的，而是通过指针进行连接。
由于链表的元素之间没有连续的内存布局，
因此无法使用普通的索引操作来访问链表中的元素。
*/ /*使用了 const 修饰符来表示传入的参数 l 是一个常量引用，
即不允许在函数内部修改传入的列表对象。
*/
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/*对于常量引用对象，我们只能通过常量迭代器来访问容器中的元素，这可以确保在遍历过程中不会对列表进行修改。因此得到的是 const_iterator 对象,不能通过这个迭代器来修改列表中的元素，比如 *it = 10 这样的操作是不被允许的。*/}cout << endl;
}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/*使用 auto 声明变量可以让编译器自动推导出变量的类型，从而简化代码书写。还可以避免类型名重复的问题。在C++98中语法中，声明迭代器对象时需要写出完整的类型名 list<int>::iterator 或 list<int>::reverse_iterator，这样容易使代码变得冗长，降低代码的可读性。*/auto it = l.begin();                     // C++11之后推荐写法while (it != l.end()){cout << *it << " ";        //1 2 3 4 5 6 7 8 9 0++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 << " ";        //0 9 8 7 6 5 4 3 2 1++rit;}cout << endl;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0L.push_back(4);L.push_front(0);PrintList(L);       //0 1 2 3 4// 删除list尾部节点和头部节点L.pop_back();L.pop_front();PrintList(L);       //1 2 3cout << "-------------------------------------------------" << endl;
}// 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;       //2// 在pos前插入值为4的元素L.insert(pos, 4);PrintList(L);           //1 4 2 3// 在pos前插入5个值为5的元素L.insert(pos, 5, 5);PrintList(L);        //1 4 5 5 5 5 5 2 3// 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);          //1 4 5 5 5 5 5 7 8 9 2 3// 删除pos位置上的元素L.erase(pos);PrintList(L);       //1 4 5 5 5 5 5 7 8 9 3// 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);        //空cout << "-------------------------------------------------" << endl;
}// resize/swap/clear
void TestList5()
{// 用数组来构造listint 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);      //空PrintList(l2);      //1 2 3// 将l2中的元素清空l2.clear();cout << l2.size() << endl;      //0
}
int main()
{TestList1();TestList2();TestList3();TestList4();TestList5();return 0;}

1.2.6 list的迭代器失效

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。

void TestListIterator1()
{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()){// erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给
其赋值l.erase(it); ++it;}
}

​

 二、list的模拟实现​

2.1 模拟实现list

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#pragma once#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>namespace abc {// List的节点类template<class T>struct ListNode {ListNode(const T& val = T()): _prev(nullptr), _next(nullptr), _val(val){}ListNode<T>* _prev;ListNode<T>* _next;T _val;};/*List 的迭代器迭代器有两种实现方式，具体应根据容器底层数据结构实现：1. 原生态指针，比如：vector2. 将原生态指针进行封装，因迭代器使用形式与指针完全相同，因此在自定义的类中必须实现以下方法：1. 指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()2. 指针可以通过->访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载oprator->()3. 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)至于operator--()/operator--(int)释放需要重载，根据具体的结构来抉择，双向链表可以向前             移动，所以需要重载，如果是forward_list就不需要重载--4. 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()*//** T：表示被模板化的类型，可以是任何类型；Ref：表示一个引用类型，通常通过 T& 或 const T& 得到；Ptr：表示一个指针类型，通常通过 T* 或 const T* 得到。*/template<class T, class Ref, class Ptr>class ListIterator {typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;//<T, Ref, Ptr> 是模板参数列表，用于指定模板类的模板参数。// Ref 和 Ptr 类型需要重定义下，实现反向迭代器时需要用到public:typedef Ref Ref;typedef Ptr Ptr;public://// 构造ListIterator(Node* node = nullptr): _node(node){}//// 具有指针类似行为Ref operator*() {return _node->_val;}Ptr operator->() {return &(operator*());}//// 迭代器支持移动Self& operator++() {_node = _node->_next;return *this;}Self operator++(int) {Self temp(*this);_node = _node->_next;return temp;}Self& operator--() {_node = _node->_prev;return *this;}Self operator--(int) {Self temp(*this);_node = _node->_prev;return temp;}//// 迭代器支持比较bool operator!=(const Self& l)const {return _node != l._node;}bool operator==(const Self& l)const {return _node != l._node;}Node* _node;};template<class Iterator>class ReverseListIterator {// 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的一个类型，而不是静态成员变量// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的public:typedef typename Iterator::Ref Ref;typedef typename Iterator::Ptr Ptr;typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;public://// 构造ReverseListIterator(Iterator it): _it(it){}//// 具有指针类似行为Ref operator*() {Iterator temp(_it);--temp;return *temp;}Ptr operator->() {return &(operator*());}//// 迭代器支持移动Self& operator++() {--_it;return *this;}Self operator++(int) {Self temp(*this);--_it;return temp;}Self& operator--() {++_it;return *this;}Self operator--(int) {Self temp(*this);++_it;return temp;}//// 迭代器支持比较/*通过将这些成员函数声明为 const，我们告诉编译器这些函数不会对对象的状态进行更改。这样做有两个主要好处：对于用户来说，使用 const 可以传达清晰的语义，即这些函数不会修改对象的状态。对于编译器来说，它可以强制执行不修改对象状态的约定，并且允许在 const 对象上调用这些函数。*/bool operator!=(const Self& l)const {return _it != l._it;}bool operator==(const Self& l)const {return _it != l._it;}Iterator _it;};template<class T>class list {typedef ListNode<T> Node;public:// 正向迭代器/*iterator 类型适用于对非常量容器对象进行迭代操作，它返回的迭代器允许修改容器中元素的值。const_iterator 类型适用于对常量容器对象进行迭代操作，它返回的迭代器不允许修改容器中元素的值。*/typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;// 反向迭代器typedef ReverseListIterator<iterator> reverse_iterator;typedef ReverseListIterator<const_iterator> const_reverse_iterator;public:///// List的构造list() {CreateHead();}list(int n, const T& value = T()) {CreateHead();for (int i = 0; i < n; ++i)push_back(value);}template <class Iterator>       //表示这是一个接受任意类型 Iterator 的模板构造函数。//接受两个迭代器参数 first 和 last，用来指定要初始化列表的范围。list(Iterator first, Iterator last) {CreateHead();//创建一个空的列表while (first != last) {push_back(*first);++first;}}list(const list<T>& l) {CreateHead();// 用l中的元素构造临时的temp,然后与当前对象交换list<T> temp(l.begin(), l.end());this->swap(temp);}list<T>& operator=(list<T> l) {this->swap(l);return *this;}~list() {clear();delete _head;_head = nullptr;}///// List的迭代器iterator begin() {return iterator(_head->_next);}iterator end() {return iterator(_head);}/*在 C++ 中，如果一个成员函数不会修改对象的成员变量，那么可以将其声明为常量成员函数，以便在常量对象上调用。这样做的目的是为了保证在常量对象上进行逆向遍历时，不会对对象的状态产生任何影响。*/// const 关键字用于修饰成员函数的声明，表示这些成员函数是类的常量成员函数。const_iterator begin()const {return const_iterator(_head->_next);}const_iterator end()const {return const_iterator(_head);}reverse_iterator rbegin() {return reverse_iterator(end());}reverse_iterator rend() {return reverse_iterator(begin());}const_reverse_iterator rbegin()const {return const_reverse_iterator(end());}const_reverse_iterator rend()const {return const_reverse_iterator(begin());}///// List的容量相关size_t size()const {Node* cur = _head->_next;size_t count = 0;while (cur != _head) {count++;cur = cur->_next;}return count;}bool empty()const {return _head->_next == _head;}void resize(size_t newsize, const T& data = T()) {size_t oldsize = size();if (newsize <= oldsize) {// 有效元素个数减少到newsizewhile (newsize < oldsize) {pop_back();oldsize--;}}else {while (oldsize < newsize) {push_back(data);oldsize++;}}}// List的元素访问操作// 注意：List不支持operator[]T& front() {return _head->_next->_val;}const T& front()const {return _head->_next->_val;}T& back() {return _head->_prev->_val;}const T& back()const {return _head->_prev->_val;}// List的插入和删除void push_back(const T& val) {insert(end(), val);}void pop_back() {erase(--end());}void push_front(const T& val) {insert(begin(), val);}void pop_front() {erase(begin());}// 在pos位置前插入值为val的节点iterator insert(iterator pos, const T& val) {Node* pNewNode = new Node(val);Node* pCur = pos._node;// 先将新节点插入pNewNode->_prev = pCur->_prev;pNewNode->_next = pCur;pNewNode->_prev->_next = pNewNode;pCur->_prev = pNewNode;return iterator(pNewNode);}// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置iterator erase(iterator pos) {// 找到待删除的节点Node* pDel = pos._node;Node* pRet = pDel->_next;// 将该节点从链表中拆下来并删除pDel->_prev->_next = pDel->_next;pDel->_next->_prev = pDel->_prev;delete pDel;return iterator(pRet);}void clear() {Node* cur = _head->_next;// 采用头删除删除while (cur != _head) {_head->_next = cur->_next;delete cur;cur = _head->_next;}_head->_next = _head->_prev = _head;}void swap(abc::list<T>& l) {std::swap(_head, l._head);}private:void CreateHead() {_head = new Node;_head->_prev = _head;_head->_next = _head;}private:Node* _head;};
}///
// 对模拟实现的list进行测试
// 正向打印链表
//auto 用于自动推导变量的类型
template<class T>
void PrintList(const abc::list<T>& l) {auto it = l.begin();while (it != l.end()) {cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}// 测试List的构造
void TestAbcList1() {abc::list<int> l1;abc::list<int> l2(10, 5);PrintList(l2);int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };abc::list<int> l3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));PrintList(l3);abc::list<int> l4(l3);PrintList(l4);l1 = l4;PrintList(l1);cout << "----------------------" << endl;
}// PushBack()/PopBack()/PushFront()/PopFront()
void TestAbcList2() {// 测试PushBack与PopBackabc::list<int> l;l.push_back(1);l.push_back(2);l.push_back(3);PrintList(l);l.pop_back();l.pop_back();PrintList(l);l.pop_back();cout << l.size() << endl;// 测试PushFront与PopFrontl.push_front(1);l.push_front(2);l.push_front(3);PrintList(l);l.pop_front();l.pop_front();PrintList(l);l.pop_front();cout << l.size() << endl;cout << "----------------------" << endl;
}// 测试insert和erase
void TestAbcList3() {int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };abc::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));auto pos = l.begin();l.insert(l.begin(), 0);PrintList(l);++pos;l.insert(pos, 2);PrintList(l);l.erase(l.begin());l.erase(pos);PrintList(l);// pos指向的节点已经被删除，pos迭代器失效cout << *pos << endl;auto it = l.begin();while (it != l.end()) {it = l.erase(it);}cout << l.size() << endl;cout << "----------------------" << endl;
}// 测试反向迭代器
void TestAbcList4() {int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };abc::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));auto rit = l.rbegin();while (rit != l.rend()) {cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;const abc::list<int> cl(l);auto crit = l.rbegin();while (crit != l.rend()) {cout << *crit << " ";++crit;}cout << endl;cout << "----------------------" << endl;
}
int main() {TestAbcList1();TestAbcList2();TestAbcList3();TestAbcList4();return  0;
}

 ​

2.2  list的反向迭代器

通过前面例子知道，反向迭代器的++就是正向迭代器的--，反向迭代器的--就是正向迭代器的++，因此反向迭 代器的实现可以借助正向迭代器，即：反向迭代器内部可以包含一个正向迭代器，对正向迭代器的接口进行 包装即可。

#include <iostream>
// 迭代器类，提供指向数组元素的迭代器
class Iterator {
public:// 定义引用类型Ref和指针类型Ptrtypedef int& Ref;typedef int* Ptr;//构造函数，初始化_ptr为参数ptrIterator(int* ptr) : _ptr(ptr) {}// 重载解引用操作符*，返回_ptr所指向的元素的引用Ref operator*() { return *_ptr; }// 重载箭头操作符->，返回_ptr的地址Ptr operator->() { return _ptr; }// 重载前置递增操作符++，将_ptr的值加1后返回自身的引用Iterator& operator++() {++_ptr;return *this;}// 重载前置递减操作符--，将_ptr的值减1后返回自身的引用Iterator& operator--() {--_ptr;return *this;}// 重载不等于操作符!=，判断_ptr与other._ptr是否不相等bool operator!=(const Iterator& other) const {return _ptr != other._ptr;}// 重载等于操作符==，判断_ptr与other._ptr是否相等bool operator==(const Iterator& other) const {return _ptr == other._ptr;}private:int* _ptr; // 指向数组元素的指针
};// 反向迭代器类，提供指向数组元素的反向迭代器
template<class Iterator>
class ReverseListIterator {// typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的类型，而不是静态成员变量// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
public:// typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的类型，而不是静态成员变量// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的//typedef作用是定义别名typedef typename Iterator::Ref Ref; // 定义Iterator的引用类型为Ref,Iterator::Ref代表了Iterator类中的引用类型，它在这里表示迭代器所指向元素的引用类型为int&。typedef typename Iterator::Ptr Ptr; // 定义Iterator的指针类型为Ptr,Iterator::Ptr代表了Iterator类中的指针类型，它在这里表示迭代器所指向元素的指针类型为int*。typedef ReverseListIterator<Iterator> Self; // 定义自身类型为Self
public://// 构造函数，初始化_it为参数itReverseListIterator(Iterator it) : _it(it) {} // 初始化_it为参数it
//
// 具有指针类似行为// 重载解引用操作符*，返回_it所指向元素的前一个元素的引用Ref operator*() { // 重载解引用操作符*Iterator temp(_it); // 创建临时迭代器temp，初始值为_it--temp; // 对temp进行前置递减操作return *temp; // 返回temp所指向的元素的引用}Ptr operator->() { // 重载箭头操作符->return &(operator*()); // 返回operator*()的地址}//// 迭代器支持移动Self& operator++() { // 重载前置递增操作符++--_it; // 对_it进行前置递减操作return *this; // 返回自身的引用}Self operator++(int) { // 重载后置递增操作符++Self temp(*this); // 创建临时迭代器temp，初始值为*this--_it; // 对_it进行前置递减操作return temp; // 返回临时迭代器temp}Self& operator--() { // 重载前置递减操作符--++_it; // 对_it进行前置递增操作return *this; // 返回自身的引用}Self operator--(int) { // 重载后置递减操作符--Self temp(*this); // 创建临时迭代器temp，初始值为*this++_it; // 对_it进行前置递增操作return temp; // 返回临时迭代器temp}//// 迭代器支持比较bool operator!=(const Self& l)const { // 重载不等于操作符!=return _it != l._it; // 判断_it与l._it是否不相等}bool operator==(const Self& l)const { // 重载等于操作符==return _it == l._it; // 判断_it与l._it是否相等}Iterator _it; // 迭代器成员变量
};int main() {int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };// 创建正向迭代器，指向数组的开始和结束位置Iterator begin(arr);Iterator end(arr + 5);// 创建逆向迭代器，指向数组的结束位置和开始位置ReverseListIterator<Iterator> rbegin(end);ReverseListIterator<Iterator> rend(begin);for (ReverseListIterator<Iterator> it = rbegin; it != rend; ++it) {std::cout << *it << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

 

三、list与vector的对比

vector与list都是STL中非常重要的序列式容器，由于两个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不 同，其主要不同如下：

	vector	list
底 层 结 构	动态顺序表，一段连续空间	带头结点的双向循环链表
随 机 访 问	支持随机访问，访问某个元素效率O(1)	不支持随机访问，访问某个元素 效率O(N)
插 入 和 删 除	任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间复杂 度为O(N)，插入时有可能需要增容，增容：开辟新空 间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低	任意位置插入和删除效率高，不 需要搬移元素，时间复杂度为 O(1)
空 间 利 用 率	底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利用率 高，缓存利用率高	底层节点动态开辟，小节点容易 造成内存碎片，空间利用率低， 缓存利用率低
迭 代 器	原生态指针	对原生态指针(节点指针)进行封装
迭 代 器 失 效	在插入元素时，要给所有的迭代器重新赋值，因为插入 元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，删 除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效	插入元素不会导致迭代器失效， 删除元素时，只会导致当前迭代 器失效，其他迭代器不受影响
使 用 场 景	需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率	大量插入和删除操作，不关心随机访问