【C++庖丁解牛】List容器的介绍及使用 | 深度剖析

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1. list的介绍

1.1 list的介绍

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。
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。
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。
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。
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)

相比于vector的连续线型空间，list显得复杂许多，但是它的好处在于插入或删除都只作用于一个元素空间，因此list对空间的运用是十分精准的，对任何位置元素的插入和删除都是常数时间。list不能保证节点在存储空间中连续存储，也拥有迭代器，迭代器的“++”、“–”操作对于的是指针的操作，list提供的迭代器类型是双向迭代器：Bidirectional iterators。

1.2 list的存储结构

list容器是一种线性的数据结构，它以链表的形式存储元素。每个元素都包含一个值和指向下一个元素的指针。相邻元素通过指针连接在一起，形成一个链表。链表的头部指针指向第一个元素，尾部指针指向最后一个元素或者为空。

list节点的结构见如下源码：

template <class T>
struct __list_node{
    typedef void* void_pointer;
    void_pointer prev;
    void_pointer next;
    T data;
}

从源码可看出list显然是一个双向链表。list与vector的另一个区别是，在插入和接合操作之后，都不会造成原迭代器失效，而vector可能因为空间重新配置导致迭代器失效。

此外list也是一个环形链表，因此只要一个指针便能完整表现整个链表。list中node节点指针始终指向尾端的一个空白节点，因此是一种“前闭后开”的区间结构

list的空间管理默认采用alloc作为空间配置器，为了方便的以节点大小为配置单位，还定义一个list_node_allocator函数可一次性配置多个节点空间

由于list的双向特性，其支持在头部（front)和尾部（back)两个方向进行push和pop操作，当然还支持erase，splice，sort，merge，reverse，sort等操作，这里不再详细阐述

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1.3 list的特点

由于链表的特性，list容器具有以下特点：

动态内存分配：链表的节点可以在运行时动态分配内存，不需要预先指定容器的大小。
随机访问效率低：由于链表中的元素不是连续存储的，因此无法通过下标直接访问元素，需要从头部开始遍历链表，直到找到目标元素。
插入和删除效率高：由于链表的节点可以通过指针进行快速插入和删除操作，不需要移动其他元素。
不支持随机访问迭代器：list容器的迭代器只支持双向移动，无法像vector容器那样进行随机访问。

总结一下，list容器的存储结构是通过链表实现的，具有动态内存分配、插入和删除效率高等特点。

2. 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

2.1 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

代码演示：

// list的构造
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;
}

2.2 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

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【注意】

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

代码演示：

// 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;
}

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;
}

2.3 list capacity

函数声明	接口说明
empty	检测list是否为空，是返回true，否则返回false
size0	返回list中有效节点的个数

2.4 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

2.5 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

代码演示：

// 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 /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;
}

2.6 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。

错误代码：

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;
	}
}

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);
	}
}

3. 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