【深入探索 C++ STL 容器 list】 —— 编程世界的万能胶，数据结构中的百变精灵
STL系列学习参考：
STL 数据结构与算法__Zwy@的博客-ZEEKLOG博客
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2.1.2、 list (size_type n, const value_type& val)
2.1.3、list (const list& x）（重点）
2.1.4、list (InputIterator first, InputIterator last)
2.1.5、list的initializer list 构造
4.2、iterator 和const_iterator的封装
1、认识标准库中的list
list的参考文档：
cplusplus.com/reference/list/list/?kw=listhttps://cplusplus.com/reference/list/list/?kw=list头文件为<list>
list 成员变量
list是C++标准库提供的类模板，本质上是一个双向带头循环链表.
结构如下图所示：
2、list的的常用接口
2.1、Construct 构造函数
2.1.1、list（）
默认构造，构造空的list
list<int> mylist1; list<string> mylist2; //list中的元素类型为 vector<int> list<vector<int>> mylist3;默认构造的list元素个数都是0.
2.1.2、 list (size_type n, const value_type& val)
构造的list中包含n个值为val的元素
//使用n个value构造 list<int> mylist1(10, 5); list<string> mylist2(3,"hellolist"); //list中的元素类型为 vector<int> // 第二个参数是vector的initializer list构造 list<vector<int>> mylist3(5,{1,2,3,4,5});其中mylist3有5个元素，每个元素是size为5的vector.
2.1.3、list (const list& x）（重点）
拷贝构造
//使用n个value构造 list<int> mylist1(10, 5); list<string> mylist2(3,"hellolist"); //list中的元素类型为 vector<int> // 第二个参数是vector的initializer list构造 list<vector<int>> mylist3(5,{1,2,3,4,5}); //拷贝构造 list<int> copy1(mylist1); list<string> copy2(mylist2); list<vector<int>> copy3(mylist3);拷贝构造时要注意，拷贝构造对象和被拷贝对象的实例化类型要相同，否则无法构造。
2.1.4、list (InputIterator first, InputIterator last)
迭代器区间构造
//迭代器区间构造 vector<int> v{ 1,2,3,4,5 }; //利用vector的整个区间构造 list<int> listint(v.begin(), v.end()); string s("hellolist"); //使用string的部分区间构造 list<char> listchar(s.begin() + 1, s.end() - 2); //使用vector<vector<int>> 的迭代器区间 vector<vector<int>> vv(10, { 1,3,5,7,9 }); list<vector<int>> listv(vv.begin() + 2, vv.end() - 3);使用迭代器区间构造，也需要保证类型匹配！
2.1.5、list的initializer list 构造
//list的initializer list 构造 list<int> list_int{ 1,2,3,4,5 }; list<string> list_str{ "hellolist","string","vector","list" }; //list的initializer list 构造中嵌套了vector的initializer list 构造 list<vector<int>> list_v{ {1,2,3},{3,4,5},{4,5,6} };list 同样支持C++11提出的initializer list 构造。
2.2、list iterator（重点）
此处，大家可暂时将迭代器iterator理解成一个指针，该指针指向list中的某个节点。
list的迭代器iterator只支持++和--等自增自减操作，不支持+和-。
2.2.1、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
2.2.2、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reverse_iterator,即begin（）位置
begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动 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
2.2.3、迭代器遍历
正向迭代器遍历：
list<string> list_s{ "apple","banana","orange","grape","mango","strawberry"}; list<string>::iterator it = list_s.begin(); while (it != list_s.end()) { //迭代器支持解引用 cout << *it << endl; ++it; }输出：
反向迭代器遍历：
list<string> list_s{ "apple","banana","orange","grape","mango","strawberry"}; list<string>::reverse_iterator it = list_s.rbegin(); while (it != list_s.rend()) { //迭代器支持解引用 cout << *it << endl; ++it; }输出：
2.3、Capacity 容量
2.3.1、empty（）
检查list是否为空，为空返回true，否则返回false
list<int> list_int; if (list_int.empty()) cout << "list_int为空" << endl; else cout << "list_int不为空" << endl; list<string> list_str{ 2,"hellolist" }; if (list_str.empty()) cout << "list_str为空" << endl; else cout << "list_str不为空" << endl;输出：
2.3.2、size（）
返回list当前的有效节点个数
list<int> myints{ 1,2,3,4,5 }; cout << "myints size:" << myints.size() << endl; list<char> mychars{ 'a','b','c','d','e','f' }; cout << "mychars size:" << mychars.size() << endl; list<string> mystrs{ "apple","banana","grape","strawberry"}; cout << "mystrs size:" << mystrs.size() << endl;输出：
2.4、Element access
list 元素访问
2.4.1、front（）
返回list的第一个节点中值的引用，如果list中的元素被const修饰，那么就返回const 引用.
list<int> myints{ 1,2,3,4,5 }; cout << "myints.front() is: " << myints.front() << endl; myints.front() -= 10; cout << "Now myints.front() is: " << myints.front() << endl;输出：
2.4.2、back（）
返回list的最后一个节点中值的引用，如果list中的元素被const修饰，那么同样返回const 引用.
list<string> mystrs{ "string","vector","linux","windows"}; cout << "mystrs.back() is: " << mystrs.back() << endl; mystrs.back().append("WINDOWS"); cout << "Now mystrs.back() is: " << mystrs.back() << endl;输出：
2.4.3、const_reference
返回const引用的情况
const list<int> c_list{ 1,2,3,4,5 }; //list中元素被const修饰，front和back返回const引用不能修改 //c_list.front() += 10; //c_list.back() -= 10;
2.5、list modifiers 增删查改
list有关增删查改的接口很多，我们只挑重点的来讲！
2.5.1、push_front（）
在list首元素前插入值为val的元素，即头插
2.5.2、push_back（）
在list尾部插入值为val的元素，即尾插
void Test_listpush() { vector<int> v{ 1,2,3,4,5 }; list<int> mylist(v.begin(), v.end()); cout << "插入前:" << endl; for (auto e : mylist) { cout << e << " "; } cout << endl; mylist.push_front(0); mylist.push_back(6); cout << "插入后：" << endl; for (auto e : mylist) { cout << e << " "; } cout << endl; }输出：
2.5.3、pop_front（）
删除list中第一个元素
2.5.4、pop_back（）
删除list中最后一个元素
void Test_listpop() { list<char> mylist{ 'a','b','c','d','e' }; cout << "删除前:" << endl; for (auto e : mylist) { cout << e << " "; } cout << endl; mylist.pop_front(); mylist.pop_back(); cout << "删除后：" << endl; for (auto e : mylist) { cout << e << " "; } cout << endl; }输出：
2.4.5、insert（）
在list position 位置前插入值为val的元素，其中position是一个迭代器
如果成功插入，则返回新插入的第一个元素的迭代器
void Test_listinsert() { list<string> mylist{ "Java","C++","PHP","Python","C" }; cout << "insert前:" << endl; for (auto e : mylist) { cout << e << " "; } cout << endl; //在position位置前插入val mylist.insert(mylist.begin(), "bash"); //在position位置前 插入 n个val mylist.insert(++mylist.begin(), 3, "C#"); //在position位置前 插入一段迭代器区间 vector<string> v{ "Go","Rust","SQL" }; mylist.insert(mylist.end(), v.begin(), v.end()); cout << "insert 后：" << endl; for (auto e : mylist) { cout << e << " "; } cout << endl; }输出：
2.5.6、erase（）
删除list position位置的元素，其中position同样是一个迭代器。返回值是一个迭代器，指向被删除元素之后的那个元素。如果被删除的元素是list中的最后一个元素，那么返回end（） erase的返回值非常重要，有关list的迭代器失效问题 ！！！
void Test_erase() { list<string> mylist{ "Java","C++","PHP","Python","C","bash","Go","Rust","SQL"}; cout << "erase前：" << endl; for (auto e : mylist) { cout << e << " "; } cout << endl; //删除position位置的元素 mylist.erase(mylist.begin()); mylist.erase(--mylist.end()); //删除一段迭代器区间[firsr,last) 左闭右开 mylist.erase(++mylist.begin(), --mylist.end()); cout << "erase后：" << endl; for (auto e : mylist) { cout << e << " "; } cout << endl; }输出：
2.5.7、swap（）
交换两个类型相同的list中的元素
void printlist(list<int> l) { for (auto e : l) { cout << e<< " "; } cout << endl; } void Test_swap() { list<int> list1{ 1,3,5,7,9 }; list<int> list2{ 2,4,6,8,10 }; cout << "swap前：" << endl; printlist(list1); printlist(list2); list1.swap(list2); cout << "swap后：" << endl; printlist(list1); printlist(list2); }输出：
2.5.8、clear（）
清除list中的所有元素
void Test_clear() { list<string> list_str{"clear","swap","push_back","insert","erase","pop_front"}; cout << "clear前：" << endl; for (auto e : list_str) { cout << e << " "; } cout << endl; list_str.clear(); cout << "clear后：" << endl; for (auto e : list_str) { cout << e << ""; } }输出：
2.5.9、resize（）
如果n小于当前list的size，size减少到前n个元素，并删除超出的元素。
如果n大于当前容器的size，则在末尾插入所需的元素,如果指定了val，则将新元素初始化为val的，否则将其进行值初始化。
n<list当前size的情况：
void Test_resize() { list<int> list_int{ 1,2,3,4,5 }; cout << "resize前：" << endl; for (auto e : list_int) { cout << e << " "; } cout << endl; list_int.resize(3); cout << "resize前：" << endl; for (auto e : list_int) { cout << e << " "; } }输出：
n>list 当前size的情况：
void Test_resize() { list<int> list_int{ 1,2,3,4,5 }; cout << "resize前：" << endl; for (auto e : list_int) { cout << e << " "; } cout << endl; //不给value的情况 初始化默认值 list_int.resize(10); cout << "resize前：" << endl; for (auto e : list_int) { cout << e << " "; } }输出：
void Test_resize() { list<int> list_int{ 1,2,3,4,5 }; cout << "resize前：" << endl; for (auto e : list_int) { cout << e << " "; } cout << endl; //给value，就用value初始化 list_int.resize(10,6); cout << "resize前：" << endl; for (auto e : list_int) { cout << e << " "; } }输出：
2.5.10、emplace系列接口
list 的emplace系列接口涉及到C++11可变参数模板以及右值引用的移动语义问题，在C++11讲解中对emplace的使用及原理做了详细讲解，大家请移步至下面这篇博文：
深入探索C++11 第三弹：C++11完结，迈进高效编程的新纪元-ZEEKLOG博客
3、list的迭代器失效问题（重点）
前面说过，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。
接下来看一个迭代器失效的例子:
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; } }erase函数执行后，it 指向的节点被释放，此时 it 已经失效，下面对it++就会导致错误，这就是list的迭代器失效问题！
解决办法：
之前我们说过erase会返回被删除的节点的下一个位置的迭代器，所以我们只需要在使用it前将erase的返回值重新赋值给it即可.
// 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()) { it = l.erase(it); } }4、list的模拟实现
4.1、List_Node的实现
// 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; };4.2、iterator 和const_iterator的封装
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：vector
2. 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!=()
template<class T, class Ref, class Ptr> class ListIterator { typedef ListNode<T> Node; typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self; // 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 T> struct list_const_iterator { typedef List_Node<T> Node; typedef list_const_iterator<T> Self; Node* _node; // list_const_iterator(Node* node) :_node(node) {} const T& operator*() { return _node->_data; } Self& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } const T* operator->() { return &_node->_data; } Self& operator++(int) { Self tmp = *this; _node = _node->_next; return tmp; } Self& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; } Self& operator--(int) { Self tmp = *this; _node = _node->_prev; return tmp; } bool operator!=(const Self& s)const { return _node != s._node; } bool operator==(const Self& s)const { return _node == s._node; } };4.3、 reverse_list_Iierator实现
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。
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 bool operator!=(const Self& l)const { return _it != l._it; } bool operator==(const Self& l)const { return _it != l._it; } Iterator _it; };4.4、list类模板的实现
template<class T> class list { typedef ListNode<T> Node; public: // 正向迭代器 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> list(Iterator first, Iterator last) { CreateHead(); 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); } 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newsize while (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(bite::list<T>& l) { std::swap(_head, l._head); } private: void CreateHead() { _head = new Node; _head->_prev = _head; _head->_next = _head; } private: Node* _head; };5、list和vector的对比
| std:list | std::vector | |
|---|---|---|
| 底层存储结构 | 带头结点的双向循环链表。每个元素在内存中不连续存储，通过节点中的指针指向下一个元素。 | 动态数组结构。元素在内存中是连续存储的。 |
| 随机访问 | 不支持高效的随机访问。要访问中间的元素，需要从头部（或尾部）开始遍历链表，时间复杂度为O(N)，其中N是到目标元素的距离。 | 支持高效的随机访问。可以通过下标运算符[]直接访问元素，时间复杂度为O（1）。 |
| 插入和删除元素 | 在任意位置插入和删除元素效率高。在链表中间插入或删除一个元素，只需要调整指针，时间复杂度为O(1)（不考虑查找插入位置的时间）。 | 在末尾插入元素效率高，时间复杂度一般为（当需要重新分配内存时可能会更复杂）。但是在中间或者开头插入 / 删除元素效率较低，因为需要移动插入 / 删除位置之后的所有元素，平均时间复杂度为O(N)。 |
| 内存分配 | 每次插入新元素时，只需分配新节点的内存，不需要重新分配整个容器的内存（除非内存不足）。 | 当元素数量超过当前容量时，需要重新分配一块更大的连续内存空间，并且将原有元素复制到新空间中，这个过程可能比较耗时。 |
| 迭代器失效 | 删除操作只会使指向被操作元素的迭代器失效，其他迭代器不受影响。 | 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 |
| 空间开销 | 除了存储元素本身，每个节点还需要额外的指针来维护链表结构，所以有一定的空间开销。 | 没有额外的指针开销，但是可能会因为内存对齐等原因 浪费少量空间。 |
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。 |
6、小结
list也是STL中很基础同时也很重要的容器，是非常重要的数据结构之一，在操作系统，日志记录等方面都有很重要的应用，值得大家深入学习。
接下来会给大家带来C++ STL中其他容器的深度讲解，创作不易，还请多多互三支持。
