本文主要介绍c++：stl中list常用接口的功能及使用方法，比较list与vector的区别，并对list的常用接口进行模拟实现。
目录
一、list的介绍和使用
1.list介绍
2.list使用
1.list的构造
2.list iterator的使用
3.list 容量相关
4.list元素访问
5.list修改
6.list的迭代器失效
二、list的模拟实现
1.list的节点类
2.list的迭代器类
1.正向迭代器
2.反向迭代器
3.list类
三、list和vector的对比
一、list的介绍和使用
1.list介绍
list文档介绍
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，已让其更简单高效。
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)
2.list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
| 构造函数 | 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 |
void test1()
{list<int> lt1; // 构造空的lt1list<int> lt2(4, 100); // lt2中放4个值为100的元素list<int> lt3(lt2.begin(), lt2.end()); //用lt2的[begin(), end()）左闭右开的区间构造lt3list<int> lt4(lt3); // 用lt3拷贝构造lt4// 以数组为迭代器区间构造l5int array[] = { 10,20,30,40 };list<int> lt5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));// 列表格式初始化C++11list<int> lt6{ 1,2,3,4,5 };// 用迭代器方式打印l5中的元素list<int>::iterator it = lt5.begin();while (it != lt5.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;//10 20 30 40// C++11范围for的方式遍历for (auto& e : lt5)cout << e << " ";cout << endl;//10 20 30 40
}2.list iterator的使用
此处可以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 |
void test2()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5};list<int> lt(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 = lt.begin(); // C++11之后推荐写法while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;//1 2 3 4 5 // 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 = lt.rbegin();while (rit != lt.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;//1 2 3 4 5
}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 容量相关
| 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 |
| size | 返回list中有效节点的个数 |
void test3()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };list<int> lt(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));if (!lt.empty())cout << "false" << endl;//falsecout<<lt.size() << endl;//5
}4.list元素访问
| 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 |
void test4()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };list<int> lt(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));cout << lt.front() << endl;//1cout << lt.back() << endl;//5
}5.list修改
| 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 |
void PrintList(const list<int>& lt)
{// 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 = lt.begin(); it != lt.end(); ++it){cout << *it << " ";// *it = 10; 编译不通过}cout << endl;
}// push_back/pop_back/push_front/pop_front
void test5()
{int array[] = { 1, 2, 3 };list<int> lt(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));// 在list的尾部插入4，头部插入0lt.push_back(4);lt.push_front(0);PrintList(lt);//0 1 2 3 4// 删除list尾部节点和头部节点lt.pop_back();lt.pop_front();PrintList(lt);//1 2 3
}// insert /erase
void test6()
{int array1[] = { 1, 2, 3 };list<int> lt(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));// 获取链表中第二个节点auto pos = ++lt.begin();cout << *pos << endl;//2// 在pos前插入值为4的元素lt.insert(pos, 4);PrintList(lt);//1 4 2 3// 在pos前插入5个值为5的元素lt.insert(pos, 5, 5);PrintList(lt);//1 4 5 5 5 5 5 2 3// 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素vector<int> v{ 7, 8, 9 };lt.insert(pos, v.begin(), v.end());PrintList(lt);//1 4 5 5 5 5 5 7 8 9 2 3// 删除pos位置上的元素lt.erase(pos);PrintList(lt);//1 4 5 5 5 5 5 7 8 9 3// 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素lt.erase(lt.begin(), lt.end());PrintList(lt);//
}// resize/swap/clear
void test7()
{// 用数组来构造listint array1[] = { 1, 2, 3 };list<int> lt1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));PrintList(lt1);//1 2 3// 交换l1和l2中的元素list<int> lt2;lt1.swap(lt2);PrintList(lt1);//PrintList(lt2);//1 2 3// 将l2中的元素清空lt2.clear();cout << lt2.size() << endl;//0
}list中还有一些操作，需要用到时可参阅list的文档说明。
6.list的迭代器失效
前面说过，此处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> lt(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));auto it = lt.begin();while (it != lt.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lt.erase(it);++it;}
}
// 改正
void TestListIterator2()
{int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };list<int> lt(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));auto it = lt.begin();while (it != lt.end()){lt.erase(it++); // it = l.erase(it);}
}
二、list的模拟实现
1.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;};2.list的迭代器类
1.正向迭代器
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>
//Ref和Ptr分布表示 T& 和 T* 或者const T& 和const T*
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:Node* _node;// 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;}// 迭代器比较bool operator!=(const Self& l)const{return _node != l._node;}bool operator==(const Self& l)const{return _node != l._node;}
};2.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:Iterator _it;// 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;}// 迭代器比较bool operator!=(const Self& l)const{return _it != l._it;}bool operator==(const Self& l)const{return _it != l._it;}
};3.list类
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;
};三、list和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 |
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