【C++】list的介绍与使用

🏆前言

🧑‍🎓list的介绍

 
list的文档介绍
 
在c++中，list是一个双向链表容器，属于标准模板库（stl）的一部分。list容器在头文件中定义。
 

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)

list的特点包括：

1. 双向性：list中的每一个元素都有一个指向前一个元素和后一个元素的指针，这样的设计使得在list中的任何位置进行插入和删除操作都非常高效。
2. 不支持随机访问：不同于vector和array，我们不能通过索引直接访问list中的元素，这与其底层实现有关。
3. 动态性：list是动态的，可以在运行时进行增长和收缩，这意味着它可以根据需要添加或删除元素。
4. 内存效率：相比于vector，list的内存分配更为高效，当添加或删除大量元素时，list不需要像vector那样重新分配内存空间。
5. 插入和删除效率高：在list的中间插入和删除元素非常快，不需要移动其它元素，只需要改变一些指针。

c++中的list具有重要的实用性和价值，原因如下：

1. 高效的插入和删除操作：相比于其他线性容器，如vector和deque，list在序列的任何位置进行插入和删除操作都是常数时间复杂度，即o(1)。这是因为list是一个双向链表，可以通过改变指针来移动元素，而无需移动其他元素。
2. 内存管理：list在插入和删除大量元素时，与vector相比，内存重新分配的开销较小。这是因为vector是连续存储的，当需要更多空间时，可能需要复制和移动元素。而list是链式存储，插入和删除元素只需要更改相邻元素的指针。
3. 迭代器稳定性：在list中，插入和删除元素不会使指向其他元素的迭代器失效。这在编写涉及迭代器的复杂算法时，可以提高代码的稳定性和效率。
4. 适用性：list适用于需要在任何位置进行高效插入和删除操作的场景。例如，在实现缓存、队列、堆栈等数据结构时，list可以是一个很好的选择。

🧑‍🎓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。

✅list的构造

// 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;
}

✅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。

// 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;
}

【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。

✅list capacity

✅list element access

✅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]));

    // 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;
}

list中还有一些操作，需要用到时大家可参阅list的文档说明。

✅list的迭代器失效问题

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())
	{
		it = l.erase(it);
	}
}

🧑‍🎓list与vector的对比

• 底层结构：
  ⭐ list是一个双向链表。它的每个元素都知道其前一个和后一个元素。
  ⭐ vector是一个动态数组。元素是连续存储的，且支持随机访问。

• 迭代器：
  ⭐ list的迭代器是双向的，不支持随机访问，即不能使用加减法移动迭代器。
  ⭐ vector的迭代器支持随机访问，可以使用加减法来移动迭代器。

• 插入和删除效率：
  ⭐ 在list的中间插入和删除元素是非常快的，因为只需要更改一些指针。时间复杂度为o(1)。
  ⭐ 在vector中插入或删除元素可能需要移动其他元素来填补空间，尤其是当元素数量接近其容量时。时间复杂度可能高达o(n)。

• 内存分配和扩展：
  ⭐ 当vector的当前容量不足以存储更多元素时，它会重新分配更大的内存空间，并复制原有元素到新空间，这可能导致大量的cpu和内存开销。
  ⭐ list则不会有此问题，因为它通过链表的方式存储，只需为新增元素分配内存，不需要为所有元素重新分配。

• 空间和时间权衡：
  ⭐ vector的空间利用率较高，因为它连续存储元素，但插入和删除操作的时间复杂度可能较高。
  ⭐ list的空间利用率较低，因为每个元素除了数据外还需要存储前后指针，但其插入和删除操作的时间复杂度低。

• 选择考虑：
  ⭐ 如果你需要频繁地在序列中间进行插入和删除操作，且不需要随机访问，那么list可能是更好的选择。
  ⭐ 如果你需要随机访问元素，且不会有大量的中间插入和删除操作，那么vector可能更合适。

🏆写在最后

感谢阅读本小白的博客，错误的地方请严厉指出噢~