C++ | STL之list详解：双向链表的灵活操作与高效实践

引言

std::list 是C++ STL中基于双向链表实现的顺序容器，擅长高效插入和删除操作，尤其适用于频繁修改中间元素的场景。与std::vector不同，std::list的内存非连续，但提供了稳定的迭代器和灵活的元素管理。本文将全面解析std::list的核心功能、使用技巧及适用场景。

1. 什么是std::list？

std::list是一个双向链表容器，每个元素（节点）包含指向前后节点的指针。其核心特性包括：

任意位置O(1)插入删除：无需移动其他元素。
无扩容开销：动态分配节点内存，无需预分配。
迭代器稳定性：除非删除元素，否则迭代器不会失效。
不支持随机访问：访问元素需遍历链表，时间复杂度O(n)。

2. 基本用法

2.1 初始化

cpp 复制代码

#include <list>
using namespace std;

// 默认初始化
list<int> l1; 

// 初始化大小为5，值均为42
list<int> l2(5, 42); 

// 列表初始化
list<int> l3 = {1, 2, 3, 4, 5}; 

// 从其他容器拷贝
vector<int> vec = {6, 7, 8};
list<int> l4(vec.begin(), vec.end());

2.2 元素访问

cpp 复制代码

list<int> lst = {10, 20, 30};

// 首尾元素
cout << lst.front(); // 10
cout << lst.back();  // 30

// 遍历需使用迭代器（无[]操作符）
for (auto it = lst.begin(); it != lst.end(); ++it) {
    cout << *it << " ";
}

3. 常用操作

3.1 插入与删除

cpp 复制代码

list<int> lst = {1, 2, 3};

// 头部插入
lst.push_front(0);       // {0,1,2,3}

// 尾部插入
lst.push_back(4);        // {0,1,2,3,4}

// 中间插入（在第二个位置插入99）
auto it = lst.begin();
advance(it, 1);
lst.insert(it, 99);      // {0,99,1,2,3,4}

// 删除元素（删除值为1的节点）
lst.remove(1);           // {0,99,2,3,4}

// 按条件删除（删除所有偶数）
lst.remove_if([](int x) { return x%2 == 0; }); // {99,3}

3.2 链表拼接

cpp 复制代码

list<int> lst1 = {1, 2, 3};
list<int> lst2 = {4, 5, 6};

// 将lst2拼接到lst1末尾（移动元素，非拷贝）
lst1.splice(lst1.end(), lst2); 
// lst1: {1,2,3,4,5,6}, lst2变为空

4. 高级技巧

4.1 高效合并与排序

cpp 复制代码

list<int> lst = {5, 3, 1, 4, 2};

// 升序排序（链表专用sort，效率优于泛型算法）
lst.sort();              // {1,2,3,4,5}

list<int> lst2 = {8, 7, 9};
lst2.sort();             // {7,8,9}

// 合并两个有序链表（合并后lst2为空）
lst.merge(lst2);         // lst: {1,2,3,4,5,7,8,9}

4.2 自定义分配器

通过分配器优化节点内存分配（适用于高频小对象场景）：

cpp 复制代码

template<typename T>
using FastList = std::list<T, MyCustomAllocator<T>>;

5. 性能注意事项

插入/删除 ：任意位置O(1)时间复杂度，但需注意遍历查找的O(n)开销。
内存占用：每个元素需额外存储前后指针（64位系统通常为16字节额外开销）。
缓存不友好 ：数据分散在内存各处，遍历速度可能慢于std::vector。

6. 适用场景

需要频繁在任意位置插入/删除元素。
依赖迭代器长期有效（如长生命周期的事件监听器列表）。
不适合：需要随机访问或对缓存命中率要求高的场景。