《C++》STL--list容器详解

在 C++ 标准模板库(STL)中，list 是一个非常重要的序列容器，它实现了双向链表的数据结构。与 vector 和 deque 不同，list 提供了高效的插入和删除操作，特别是在任意位置。本文将深入探讨 list 容器的特性、使用方法以及常见操作。

一、list 容器的基本特性

list 是一个双向链表容器，它有下面5个特点：

• 双向链表结构：每个元素都包含指向前驱和后继的指针。

• 非连续内存：元素存储在任意内存位置，通过指针连接。

• 高效的插入删除：在任意位置插入和删除元素的时间复杂度为 O(1)。

• 不支持随机访问：不能像数组一样通过下标直接访问元素。

• 迭代器稳定性：插入和删除操作不会使迭代器失效（除了被删除元素的迭代器）。

二、list 的基本操作

2.1 list的语法

• 使用 list 前需要包含 头文件：

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;

• 初始化一个空的 list

    list<int> lst1;

• 初始化包含 5 个元素，每个元素值为 10

    list<int> lst2(5, 10);

• 通过初始化列表初始化

    list<int> lst3 = {1, 2, 3, 4, 5};

• 通过数组初始化

    int arr[] = {6, 7, 8, 9, 10};list<int> lst4(arr, arr + sizeof(arr)/sizeof(arr[0]));

2.2 常用成员函数

定义一个list作为示例，将为大家演示一些常用的成员函数及其使用方法。

list<int> myList = {1, 2, 3};

• 在末尾添加元素

myList.push_back(4);  // 1,2,3,4

• 在开头添加元素

myList.push_front(0); // 0,1,2,3,4

• 获取第一个和最后一个元素

cout << "Front: " << myList.front() << endl; // 0
cout << "Back: " << myList.back() << endl;   // 4

• 删除第一个和最后一个元素

myList.pop_front(); // 1,2,3,4
myList.pop_back();  // 1,2,3

• 判断 list 是否为空

if (!myList.empty()) {cout << "List size: " << myList.size() << endl; // 3
}

2.3 插入和删除操作

list 的插入和删除操作非常高效，定义一个list作为示例：

list<int> nums = {10, 20, 30, 40};

• 在指定位置前插入元素

auto it = nums.begin();
advance(it, 2); // 移动到第3个元素位置
nums.insert(it, 25); // 10,20,25,30,40

• 删除指定位置的元素

it = nums.begin();
advance(it, 3);
nums.erase(it); // 10,20,25,40

• 删除所有值为20的元素

nums.remove(20); // 10,25,40

• 删除满足条件的元素

nums.remove_if([](int n){ return n > 30; }); // 10,25

三、list 的高级特性

3.1 迭代器使用

由于 list 不支持随机访问，遍历时必须使用迭代器。
我在这里定义一个string类型的list作为演示遍历时的操作。（其实主要还是迭代器遍历，但是范围for也可以。其实范围for内核本质就是迭代器啦）

list<string> names = {"Alice", "Bob", "Charlie"};

• 使用迭代器遍历

for (auto it = names.begin(); it != names.end(); ++it) {cout << *it << " ";
}
cout << endl;

• 使用范围for循环遍历

for (const auto& name : names) {cout << name << " ";
}
cout << endl;

3.2 排序和去重

list 中，库提供了专门的排序和去重成员函数，下面我创建一个int类型的list为大家一一演示其使用方法：

list<int> values = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6};

• 排序 (升序)

values.sort(); // 1,1,2,3,4,5,6,9

• 降序排序

values.sort(greater<int>()); // 9,6,5,4,3,2,1,1

• 去重 (必须先排序)

values.unique(); // 9,6,5,4,3,2,1

• 自定义去重条件

values.unique([](int a, int b){ return abs(a-b) <= 1; });

3.3 合并和拼接

list 在合并和拼接提供了十分方便并且高效的库函数：

• 定义两个list链表作为演示

list<int> list1 = {1, 3, 5};
list<int> list2 = {2, 4, 6};

• 合并两个有序list (list2会被清空)

list1.merge(list2); // list1: 1,2,3,4,5,6; list2: 空list<int> list3 = {7, 8, 9};

• 拼接list (将list3的元素移动到list1的指定位置)

auto pos = list1.begin();
advance(pos, 3);
list1.splice(pos, list3); // list1: 1,2,3,7,8,9,4,5,6

下次我们写算法题就可以不用像C语言那样那么麻烦了…（手动狗头）

四、list对比其它容器的优劣势

4.1优势

• 适合频繁插入删除：当需要在序列中间频繁插入删除元素时，list 是最佳选择

• 适合大元素对象：当元素对象很大时，list 可能比 vector 更高效，因为不需要重新分配和复制

• 不需要随机访问：如果不需要通过下标快速访问元素

• 迭代器稳定性高：需要保证插入删除操作不影响其他元素的迭代器

4.2劣势

• 1. 内存开销大
     • list 作为链表结构，每个元素都需要额外的指针空间来存储前驱和后继节点的地址：

struct ListNode {T data;            // 存储的实际数据ListNode* prev;    // 指向前驱节点的指针ListNode* next;    // 指向后继节点的指针
};

• 2. 缓存不友好

  • 链表节点分散在内存各处，无法利用空间局部性。

  • 遍历链表时几乎每次访问都会导致缓存缺失。

  • CPU 难以预测下一个节点的内存位置。