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【C++】list的介绍与使用

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🏆前言

🌀 前面对STL进行了介绍 【 戳此了解STL】，本章就给大家带来STL当中的list~
🌀 list的底层是数据结构中的带头双向循环链表，它本质上是对一个序列进行管理，提高我们写代码的效率。在C语言我们想用链表的时候，需要自己造轮子，而有了list之后，一切都变得简单了许多~
🌀能够熟练的使用list，可以很大程度上提高写算法题的效率，有许多的困难算法题，都需要对一串序列数据进行操作，这时候list以及它里面的方法就是个杀手锏了，虽然还有个vector，但有时候由于底层数据结构的原因，list会更能提高算法的效率~

使用STL的三个境界：能用，明理，能扩展 ，那么下面学习list，我们也是按照这个方法去学习👀

🧑‍🎓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。

总的来说，C++中的list为程序员提供了一种灵活且高效的容器选择。虽然它不支持随机访问，并且在某些情况下的空间效率不如vector，但其高效的插入和删除操作以及稳定的迭代器使其在特定场景中具有重要的实用价值。

🧑‍🎓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

在这里插入图片描述

// 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

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())
	{
		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。

总的来说，list和vector各有优缺点，选择哪个容器取决于你的特定需求和优化目标。

🏆写在最后

💝本章主要是给大家介绍list~ 在C++中，list是一个非常重要的数据结构。它具有双向性, 动态性, 内存效率, 插入和删除效率高等优点。它是一种通用的、可扩展的容器，适用于各种不同的编程场景。学习和掌握list的使用对于编写高效的C++程序非常重要。因此，大家可要好好敲噢~😊

❤️‍🔥后续将会继续输出有关C++的文章，你们的支持就是我写作的最大动力！

感谢阅读本小白的博客，错误的地方请严厉指出噢~

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