【C++】List -- 详解

一、list的介绍及使用

https://cplusplus.com/reference/list/list/?kw=list

  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，不支持尾插、尾删，对比双向链表的唯一优势就是每个节点少存一个指针。
  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、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）list的构造

// 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));// 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 << " ";++it;}cout << endl;// C++11范围for的方式遍历for (auto& e : l5){cout << e << " ";}cout << endl;
}
（2）list iterator的使用

可以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。 

// list迭代器的使用
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; // 不能改变该值 -- 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;
}

注意：遍历链表只能用迭代器和范围for。

【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。
（3）list capacity

（4）list element access

（5）list modifiers

// 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]));L.push_back(4); // 在list的尾部插入4L.push_front(0); // 在list的头部插入0PrintList(L);L.pop_back(); // 删除list尾部节点L.pop_front(); // 删除list头部节点PrintList(L);
}
// insert /erase 
void TestList4()
{int array1[] = {1, 2, 3};list<int> L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));auto pos = ++L.begin(); // 获取链表中第二个节点cout << *pos << endl;L.insert(pos, 4); // 在pos前插入值为4的元素PrintList(L);L.insert(pos, 5, 5); // 在pos前插入5个值为5的元素PrintList(L);vector<int> v{7, 8, 9};L.insert(pos, v.begin(), v.end()); // 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素PrintList(L);L.erase(pos); // 删除pos位置上的元素PrintList(L);L.erase(L.begin(), L.end()); // 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素PrintList(L);
}
// 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);list<int> l2;l1.swap(l2); // 交换l1和l2中的元素PrintList(l1);PrintList(l2);l2.clear(); // 将l2中的元素清空cout << l2.size() << endl;
}
为什么 C++98 建议使用各自容器里的 swap，而不建议使用算法里的 swap？

可以看到算法里 swap 的 C++98 的实现，无论是 string、vector、list 使用它会涉及深拷贝问题，而且这里的深拷贝代价极大，需要深拷贝 3 次 —— 当 l1 和 l2 交换，这里会把 l1 拷贝构造一份 c，然后把 l2 赋值于 l1，c 赋值于 l2，完成交换。

而如果是容器里的 swap，需要交换 l1 和 l2，只需要头指针交换即可。假设是 vector，只要把 l1 和 l2 对应的 _start、_finish、_endofstorage 交换即可。相比算法里的 C++98 里的 swap，这里可以认为没有任何代价。

（6）list的迭代器失效 
先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);}
}

⚪【补充】

容器迭代器的分类：

  1. 使用功能的角度可分为，(正向、反向) + const
  2. 容器底层结构的角度可分为，单向、双向、随机

比如单链表迭代器、哈希表迭代器就是单向，特征是能 ++，不能 --；双向链表迭代器、map 迭代器就是双向，特征是能 ++、–；string、vector、deque 迭代器就是随机迭代器，特征是能 ++、–、+、-，一般随机迭代器底层都是一个连续的空间。

二、list的模拟实现

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。 
#pragma once#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>namespace xyl
{// 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;};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，实现反向迭代器的时候需要用到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：这里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;};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void push_back(const T& val){insert(end(), val);}// List的删除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;};
}// 对模拟实现的list进行测试
// 正向打印链表
template<class T>
void PrintList(const xyl::list<T>& l)
{auto it = l.begin();while (it != l.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}// 测试List的构造
void TestBiteList1()
{xyl::list<int> l1;xyl::list<int> l2(10, 5);PrintList(l2);int array[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0};xyl::list<int> l3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));PrintList(l3);xyl::list<int> l4(l3);PrintList(l4);l1 = l4;PrintList(l1);
}// PushBack()/PopBack()/PushFront()/PopFront()
void TestBiteList2()
{// 测试PushBackxyl::list<int> l;l.push_back(1);l.push_back(2);l.push_back(3);PrintList(l);// 测试PopBackl.pop_back();l.pop_back();PrintList(l);l.pop_back();cout << l.size() << endl;// 测试PushFrontl.push_front(1);l.push_front(2);l.push_front(3);PrintList(l);// 测试PopFrontl.pop_front();l.pop_front();PrintList(l);l.pop_front();cout << l.size() << endl;
}// 测试insert和erase
void TestBiteList3()
{int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};xyl::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;
}// 测试反向迭代器
void TestBiteList4()
{int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};xyl::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));auto rit = l.rbegin();while (rit != l.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;const xyl::list<int> cl(l);auto crit = l.rbegin();while (crit != l.rend()){cout << *crit << " ";++crit;}cout << endl;
}

【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) 。
  4. 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 -- 。
  5. 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载 operator==() 与 operator!=() 。

2、list的反向迭代器 

通过前面我们可以知道，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：这里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;
};

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：

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