c++-list

cccyi72025-08-01 9:51

C++-list

std::list是C++标准模板库(STL)提供的双向链表容器，它提供了高效的插入和删除操作，特别适合频繁修改的序列。定义在 <list> 头文件中，属于 std 命名空间。该类的接口与常规容器接口基本一致。

模板原型：

cpp 复制代码 
template < class T, class Alloc = allocator<T> > class list;

allocator<T>：STL空间配置器（内存池）。

基本特性：

  • 实现方式：双向链表结构，每个元素包含指向前驱和后继的指针。

  • 内存分配：元素在内存中非连续存储的，通过指针链接。

  • 泛型容器：通过模板实现，可以存储任何类型的元素。

  • 迭代器：双向迭代器（支持++和--操作）。

1. 底层理解

list 底层是 带头双向循环链表。

cpp 复制代码 
template<typename T>
struct list_node{
    T val;
    list_node* prev;
    list_node* next;
    list_node(const T& data = T()) :val(data) , prev(nullptr) , next(nullptr) {}
};
template<typename T>
class list {
    private:
        list_node<T>* node;
}

2. 成员函数

2.1 成员类型

成员类型 解释
value_type 第一个模板参数（T）
allocator_type 第二个模板参数（Alloc）
size_type 无符号整数（size_t）
reference 类型引用（T&）
const_reference const类型引用（const T&）

2.2 构造函数

序号 函数原型 说明
1️⃣ explicit list (const allocator_type& alloc = allocator_type()) 默认构造
2️⃣ list (const list& x) 拷贝构造
3️⃣ explicit list (size_type n, const value_type& val = value_type(), const allocator_type& alloc = allocator_type()) 使用 n 个 val 值初始化
4️⃣ template <class InputIterator> list (InputIterator first, InputIterator last, const allocator_type& alloc = allocator_type()) 使用一段迭代器区间初始化

2.3 赋值重载

序号 函数原型 说明
1️⃣ list& operator= (const list& x) 两个已存在的 list 对象的赋值

2.4 迭代器

序号 函数原型 说明
1️⃣ iterator begin() 返回指向 list 对象中第一个元素的迭代器
2️⃣ const_iterator begin() const 返回指向 list 对象中第一个元素的 const迭代器
3️⃣ iterator end() 返回指向 list 对象末尾元素之后位置的迭代器
4️⃣ const_iterator end() const 返回指向 list 对象末尾元素之后位置的 const迭代器
5️⃣ reverse_iterator rbegin() 返回指向 list 对象末尾元素的反向迭代器
6️⃣ const_reverse_iterator rbegin() const 返回指向 list 对象末尾元素的const反向迭代器
7️⃣ reverse_iterator() rend() 返回指向 list 对象起始元素之前位置的反向迭代器
8️⃣ const_reverse_iterator() rend() const 返回指向 list 对象起始元素之前位置的const反向迭代器

2.5 容量相关的接口

序号 函数原型 说明
1️⃣ size_type size() const 返回 list 对象中元素的数量
2️⃣ bool empty() const 判断当前 list 对象是否为空

2.6 元素的访问

序号 函数原型 说明
1️⃣ reference front() 返回 list 对象第一个元素的引用
2️⃣ const_reference front() const 返回 const list 对象第一个元素的 const引用
3️⃣ reference back() 返回 list 对象最后一个元素的引用
4️⃣ const_reference back() const 返回 const list 对象最后一个元素的引用

2.7 修改相关的接口

序号 函数原型 说明
1️⃣ template <class InputIterator> void assign (InputIterator first, InputIterator last) 使用一段迭代器区间赋值给 list 对象（通常使用其他容器）
2️⃣ void push_front (const value_type& val) 在 list 对象头部插入 val 元素
3️⃣ void pop_front() 在 list 对象头部删除一个元素
4️⃣ void push_back (const value_type& val) 在 list 对象尾部插入 val 元素
5️⃣ void pop_back() 在 list 对象尾部删除一个元素
6️⃣ iterator insert (iterator pos, const value_type& val); 在 list 对象的 pos 位置迭代器插入 val 元素，返回新插入元素的迭代器
7️⃣ iterator erase (iterator pos); 删除 list 对象的 pos 位置迭代器元素，返回删除位置元素的下一个迭代器
8️⃣ void clear(); 清空 list 对象中所有元素

2.8 其他操作

序号 函数原型 说明
1️⃣ void reverse() 逆置 list 对象中的元素
2️⃣ void sort() 排序 list 对象中的元素（默认升序）
3️⃣ void merge (list& x) 合并两个有序的 list，将 x 对象中的所有元素合并到当前 list 中，合并完后 x 将变为空链表
4️⃣ void unique() 去重，但前提需要 list 对象有序
5️⃣ void remove (const value_type& val) 移除所有 val 元素
6️⃣ void splice (iterator position, list& x) 将x链表中的所有元素移动到当前链表的 position迭代器之前，移动后 x 变为空链表
7️⃣ void splice (iterator position, list& x, iterator i) 将x链表中 i 位置迭代器元素移动到当前链表的 position迭代器之前
8️⃣ void splice (iterator position, list& x, iterator first, iterator last); 将x链表一段迭代器区间移动到当前链表的 position迭代器之前
  1. reverse
  1. sort
  1. merge
  1. unique
  1. remove

6.splice

3. list迭代器失效

C++中，list 与 vector 迭代器失效有所不同，list迭代器失效主要发生在 元素被删除时

迭代器失效的情况：

  • erase 时被删除位置元素迭代器失效。

    • 解决方式：通过 erase 返回值重新获取迭代器（erase返回删除元素的下一个位置迭代器）

  • 整个 list 被销毁或赋值时，所有迭代器都会失效。

4. list模拟实现

cpp 复制代码 
// list.hpp
#pragma once

#include <iostream>
#include <cassert>

namespace simulate_list {
    template<typename T>
    struct list_node{
        T val;
        list_node* prev;
        list_node* next;
        list_node(const T& data = T()) :val(data) , prev(nullptr) , next(nullptr) {}
    };

    template<typename T , typename Ref , typename Ptr>
    struct __list_iterator {
        typedef list_node<T> node;
        typedef __list_iterator<T , Ref , Ptr> self;

        __list_iterator(node* nodeptr) :cur(nodeptr) {}

        self& operator++() {
            cur = cur->next;
            return *this;
        }

        self operator++(int) {
            self temp(cur);
            cur = cur->next;
            return temp;
        }

        self& operator--() {
            cur = cur->prev;
            return *this;
        }

        self operator--(int) {
            self temp(cur);
            cur = cur->prev;
            return temp;
        }

        Ref operator*() {
            return cur->val;
        }

        Ptr operator->() {
            return &(operator*());
        }

        bool operator==(const self& s) {
            return cur == s.cur;
        }

        bool operator!=(const self& s) {
            return cur != s.cur;
        }

        node* cur;
    };

    template<typename T>
    class list {
            typedef list_node<T> node;
        public:
            typedef __list_iterator<T , T& , T*> iterator;
            typedef __list_iterator<T , const T& , const T*> const_iterator;

            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); }
            bool empty() const { return head->next == head; }
            T& front() { assert(!empty()); return head->next->val; }
            T& back() { assert(!empty()); return head->prev->val; }
            const T& front() const { assert(!empty()); return head->next->val; }
            const T& back() const { assert(!empty()); return head->prev->val; }
            size_t size() const {
                size_t count = 0;
                for (auto& a : *this) count++;
                return count; 
            }
            void clear() {
                auto it = begin();
                while (it != end())
                    it = erase(it);
            }

            void initializer_list() {
                head = new node;
                head->prev = head;
                head->next = head;
            }
            list<T>() {
                initializer_list();
            }
            list<T>(const list<T>& l) {
                initializer_list();
                for (auto& node : l)
                    push_back(node);
            }
            list<T>& operator=(list<T> l) {
                std::swap(head , l.head);
                return *this;
            }
            ~list<T>() {
                clear();
                delete head;
                head = nullptr;
            }

            iterator insert(iterator position , const T& val);
            iterator erase(iterator position);
            void push_front(const T& val) { insert(begin() , val); }
            void pop_front() { assert(!empty()); erase(begin()); }
            void push_back(const T& val) { insert(end() , val); }
            void pop_back() { assert(!empty()); erase(--end()); }  

        private:
            node* head = nullptr;
    }; 
    
    template<typename T>
    typename list<T>::iterator list<T>::insert(list<T>::iterator position , const T& val) {
        node* prev = position.cur->prev;
        node* newnode = new node(val);
        prev->next = newnode;
        newnode->prev = prev;
        newnode->next = position.cur;
        position.cur->prev = newnode;
        return iterator(newnode);   // 返回新插入节点的迭代器
    }

    template<typename T>
    typename list<T>::iterator list<T>::erase(list<T>::iterator position) {
        node* prev = position.cur->prev;
        node* next = position.cur->next;
        prev->next = next;
        next->prev = prev;
        delete position.cur;
        return iterator(next);  // 返回删除元素的下一个元素
    }
    
} // namespace simulate_list end
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