c++中list详解

C++中list详解

1、list的介绍和使用

1.1 list的介绍

list的文档介绍

1.2 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。

1.2.1 list的构造

构造函数	接口说明
lsit(size_type n, const value_type& val = value_type())	构造的list中包含n个值得为val的元素
list()	构造空的list
list(const list& x)	拷贝构造函数
list(inputlterator first, inputlterator last)	用[list,last]区间中的元素构造list

list的构造使用代码演示

1、list(size_type n, const value_type& val = value_type())

可以使用此构造函数来创建一个有 n 个元素的链表，并初始化每个元素的值为 val。如果没有提供 val，则使用 value_type() 进行默认初始化。

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main() {// 创建一个包含 5 个元素，每个元素初始化为 10 的 listlist<int> l1(5, 10); // 初始化为 10cout << "l1: ";for (int x : l1) cout << x << " "; // 输出：10 10 10 10 10cout << endl;// 创建一个包含 3 个默认初始化的元素（值为 0）的 listlist<int> l2(3);  // 默认初始化，元素值为 0cout << "l2: ";for (int x : l2) cout << x << " "; // 输出：0 0 0cout << endl;return 0;
}

2、list()

该构造函数创建一个没有任何元素的空链表。

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main() {// 创建一个空的 listlist<int> l3;cout << "l3 (empty list): ";if (l3.empty()) cout << "empty"; // 输出：emptycout << endl;return 0;
}

3、list(const list& x)

通过拷贝一个已有的 std::list 来创建一个新的链表，它会复制源链表中的所有元素。

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main() {// 创建一个包含 3 个元素的 listlist<int> l4(3, 5); // {5, 5, 5}// 使用拷贝构造函数创建一个新的 listlist<int> l5 = l4; // 拷贝 l4 到 l5cout << "l4: ";for (int x : l4) cout << x << " "; // 输出：5 5 5cout << endl;cout << "l5 (copied from l4): ";for (int x : l5) cout << x << " "; // 输出：5 5 5cout << endl;return 0;
}

4、list(input_iterator first, input_iterator last)

通过输入迭代器定义一个区间，将该区间的所有元素添加到新的 std::list 中。可以通过迭代器来指定要从哪开始，哪里结束。

#include <iostream>
#include <list>
#include <vector>
using namespace std;int main() {// 使用 vector 构造 listvector<int> v = { 1, 2, 3, 4, 5 };// 使用 input_iterator 构造 listlist<int> l6(v.begin(), v.end()); // 通过 vector 的迭代器初始化 listcout << "l6: ";for (int x : l6) cout << x << " "; // 输出：1 2 3 4 5cout << endl;return 0;
}

1.2.2 list iterator

此处，大家可暂时将迭代器理解成一个指针，该指针指向list中的某一个节点

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
rebegin + 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

[!CAUTION]

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

#include <iostream>
#include <list>
#include <algorithm> // find, for_each
#include <iterator>  // next, prev, advance
using namespace std;int main() {// 1) 基本：获取迭代器并遍历（可修改）list<int> a{ 1,2,3,4,5 };cout << "[1] 原始 a: ";for (auto x : a) cout << x << ' '; cout << '\n';// begin()/end() 返回 iterator，可修改元素for (auto it = a.begin(); it != a.end(); ++it) {*it *= 10; // 修改元素}cout << "[1] 修改后 a: ";for (auto x : a) cout << x << ' '; cout << '\n';// 2) 只读遍历：const_iterator / cbegin()/cend()const list<int>& ca = a; // 引用成 const，或使用 cbegin()/cend()cout << "[2] 只读遍历 ca: ";for (list<int>::const_iterator it = ca.cbegin(); it != ca.cend(); ++it) {// *it = 0; // ❌ 编译错误：const_iterator 不能修改cout << *it << ' ';}cout << '\n';// 3) 反向遍历：reverse_iterator / rbegin()/rend()cout << "[3] 反向遍历 a: ";for (auto rit = a.rbegin(); rit != a.rend(); ++rit) {cout << *rit << ' ';}cout << '\n';// 4) 借助迭代器插入：insert 在 it 前插入；使用 std::find 定位 it//    注意：list 的插入不会使其他迭代器失效（除了指向被擦除的那个）auto it3 = find(a.begin(), a.end(), 30);if (it3 != a.end()) {// 在 30 前面插入 25、26a.insert(it3, { 25, 26 });}cout << "[4] insert 前置插入: ";for (auto x : a) cout << x << ' '; cout << '\n';// 5) 借助迭代器删除：erase(it) 返回删除元素后的“下一个”迭代器//    安全的“边遍历边删除”写法//    目标：删除能被 20 整除的元素for (auto it = a.begin(); it != a.end(); /* no ++ here */) {if (*it % 20 == 0) {it = a.erase(it); // 使用返回值接住下一个位置}else {++it;}}cout << "[5] 边遍历边删除(删%20==0): ";for (auto x : a) cout << x << ' '; cout << '\n';// 6) 使用 std::next / std::prev / advance 移动迭代器//    next(it, n) 返回新迭代器，不改原 it；advance 会原地移动 itauto itBegin = a.begin();auto itAfter1 = next(itBegin, 1); // 向后移动 1// prev 需要确保不越过 begin()auto itLast = a.empty() ? a.end() : prev(a.end(), 1);cout << "[6] next/prev 示例: \n";if (itAfter1 != a.end()) cout << "  next(begin,1): " << *itAfter1 << '\n';if (itLast != a.end())   cout << "  prev(end,1): " << *itLast << '\n';// advance 原地移动auto itAdv = a.begin();if (!a.empty()) {advance(itAdv, min<size_t>(2, a.size() - 1)); // 最多前进到倒数第二cout << "  advance 到位置值: " << *itAdv << '\n';}// 7) 结合算法 + 迭代器：for_each 只读/可改都行（这里演示输出）cout << "[7] for_each 输出: ";for_each(a.begin(), a.end(), [](int v) { cout << v << ' '; });cout << '\n';// 8) 与 insert/erase 组合：在指定位置批量插入与删除//    在表头后插入两个元素 111, 222，然后删除表头后的那个元素if (!a.empty()) {auto pos = next(a.begin());      // 表头的后一个位置a.insert(pos, { 111, 222 });       // 在 pos 前插入 -> 插到第2个位置cout << "[8] 批量插入结果: ";for (auto x : a) cout << x << ' '; cout << '\n';pos = next(a.begin());           // 重新获取第二个位置pos = a.erase(pos);              // 删除第二个元素，pos 现在指向“新”第二个cout << "    删除后指向的值(若存在): ";if (pos != a.end()) cout << *pos << '\n'; else cout << "(end)\n";cout << "    删除后列表: ";for (auto x : a) cout << x << ' '; cout << '\n';}// 9) const_reverse_iterator：只读的反向迭代器const list<int>& ca2 = a;cout << "[9] const reverse 遍历: ";for (list<int>::const_reverse_iterator crit = ca2.crbegin();crit != ca2.crend(); ++crit) {cout << *crit << ' ';}cout << '\n';// 10) 与字符串 list 简单演示（结合 find/insert/erase）list<string> names{ "Bob","Alice","Tom" };auto itAlice = find(names.begin(), names.end(), "Alice");if (itAlice != names.end()) {names.insert(itAlice, "Zoe"); // 在 Alice 前}// 删除 "Tom"auto itTom = find(names.begin(), names.end(), "Tom");if (itTom != names.end()) names.erase(itTom);cout << "[10] names: ";for (const auto& s : names) cout << s << ' '; cout << '\n';// 小贴士：不要解引用 end()；不要在 erase 之后继续使用被删迭代器；// list 的插入/拼接(splice)不会使其他迭代器失效（被删元素的迭代器除外）。return 0;
}

1.2.3 list capacity

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

1.2.4 list element access

函数声明	接口说明
front	返回list的第一个节点中引用值的引用
back	返回list的最后一个节点中值的引用

1.2.5 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

list的插入和删除代码演示

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main() {// 创建一个空链表list<int> myList;// 在链表尾部插入元素myList.push_back(10);myList.push_back(20);myList.push_back(30);// 在链表头部插入元素myList.push_front(5);// 打印链表cout << "After push_back and push_front operations: ";for (int val : myList) {cout << val << " ";}cout << endl;// 删除链表头部的元素myList.pop_front();cout << "After pop_front operation: ";for (int val : myList) {cout << val << " ";}cout << endl;// 删除链表尾部的元素myList.pop_back();cout << "After pop_back operation: ";for (int val : myList) {cout << val << " ";}cout << endl;// 使用 insert 在链表中间插入元素auto it = myList.begin();advance(it, 1);  // 移动到链表的第二个位置myList.insert(it, 15);  // 在第二个位置插入 15cout << "After insert operation: ";for (int val : myList) {cout << val << " ";}cout << endl;// 使用 erase 删除链表中的第二个元素it = myList.begin();advance(it, 1);  // 移动到链表的第二个位置myList.erase(it);  // 删除第二个元素cout << "After erase operation: ";for (int val : myList) {cout << val << " ";}cout << endl;// 清空链表myList.clear();cout << "After clear operation, size of list: " << myList.size() << endl;return 0;
}

1.2.6 list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。

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);}
}

2、list的模拟实现

2.1 模拟实现list

要模拟实现list，必须要熟悉list的底层结构以及其接口的含义，通过上面的学习，这些内容已基本掌握，现在我们来模拟实现list。

#include <iostream>
using namespace std;// 节点结构体
template <typename T>
struct Node {T data;       // 节点存储的数据Node* next;   // 指向下一个节点的指针Node* prev;   // 指向前一个节点的指针Node(T val) : data(val), next(nullptr), prev(nullptr) {}
};// 双向链表类
template <typename T>
class MyList {
private:Node<T>* head;   // 链表的头指针Node<T>* tail;   // 链表的尾指针int size;        // 链表的大小public:// 构造函数MyList() : head(nullptr), tail(nullptr), size(0) {}// 析构函数~MyList() {clear();}// 插入元素到链表末尾void push_back(T val) {Node<T>* newNode = new Node<T>(val);if (tail == nullptr) {head = tail = newNode;  // 如果链表为空} else {tail->next = newNode;newNode->prev = tail;tail = newNode;}size++;}// 插入元素到链表头部void push_front(T val) {Node<T>* newNode = new Node<T>(val);if (head == nullptr) {head = tail = newNode;  // 如果链表为空} else {newNode->next = head;head->prev = newNode;head = newNode;}size++;}// 删除链表末尾的元素void pop_back() {if (tail == nullptr) return; // 空链表Node<T>* temp = tail;tail = tail->prev;if (tail) {tail->next = nullptr;} else {head = nullptr;  // 如果链表只有一个元素}delete temp;size--;}// 删除链表头部的元素void pop_front() {if (head == nullptr) return; // 空链表Node<T>* temp = head;head = head->next;if (head) {head->prev = nullptr;} else {tail = nullptr;  // 如果链表只有一个元素}delete temp;size--;}// 遍历并打印链表元素void print() {Node<T>* current = head;while (current != nullptr) {cout << current->data << " ";current = current->next;}cout << endl;}// 获取链表的大小int get_size() const {return size;}// 清空链表void clear() {while (head != nullptr) {pop_front();}}// 获取链表的头节点Node<T>* get_head() const {return head;}// 获取链表的尾节点Node<T>* get_tail() const {return tail;}
};int main() {MyList<int> list;// 插入元素list.push_back(10);list.push_back(20);list.push_front(5);list.push_back(30);// 打印链表cout << "List elements: ";list.print();// 删除元素list.pop_front();  // 删除头部元素list.pop_back();   // 删除尾部元素cout << "After pop operations, list elements: ";list.print();// 输出链表大小cout << "Size of list: " << list.get_size() << endl;// 清空链表list.clear();cout << "After clearing, size of list: " << list.get_size() << endl;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。

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;
};

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	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

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