STL - list - 技术栈

1、list的介绍及使用

1.1、list的介绍

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
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
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
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
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)

1.2、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 ( constructor ） | 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 |

1.2.2、list iterator 的使用

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

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|---------------------------------------------------------------------------------|
| 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 |

【注意】

begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动
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

1.2.3、list capacity

|--------------------------------------------------------------------------|----------------------------------|
| 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 |

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 |

1.2.6、list的迭代器失效

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

cpp 复制代码

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

cpp 复制代码

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 |