STL 容器 --- list 类

1. 前言

list 中使用的函数与之前所学的，并无太多的区别，下面只简单的讲解一些特殊的地方。List 是链表，是之前数据结构所说的带头双向循环链表，使用 list 时需要包含头文件 --- list。原型为：template < class T, class Alloc = allocator<T> > class list。

2. list 类

1. 初始化

list 支持无参初始化，n 个 val 值初始化，大括号初始化，迭代器区间初始化，如下代码所示：

cpp 复制代码

template <class T>
void Print(list<T> lt)
{
	for (auto& e : lt)
	{
		cout << e << " ";
		e++;
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	list<int> lt1; // 无参初始化
	list<int> lt2(10, 2); // n 个 val 值初始化
	Print(lt2);
	vector<int> v = { 1, 3, 5, 7, 9 };
	list<int>lt3(v.begin(), v.end()); // 迭代器区间初始化
	Print(lt3);
	list<int> lt4 = { 1, 2, 3, 4, 5 }; // 大括号初始化
	Print(lt4);

	return 0;
}

代码运行结果：

特殊的是支持用数组来初始化，如下代码所示：

cpp 复制代码

int arr[10] = { 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0 };
list<int> lt5(arr + 2, arr + 7);
Print(lt5);

运行结果：

为什么可以用数组来初始化呢？这里实际上调用了迭代器区间初始化函数。但是该函数的参数明明是迭代器，为什么可以传指针呢？指针是一种特殊的迭代器（前提是该指针是指向数组的指针，容器的迭代器不一定是指针），指向数组的指针的行为符合迭代器，迭代器的行为本质上模拟的就是指向数组的指针。

在之前实现 vector 时，提到了算法库中的 sort 函数，该函数的原型为：template <class RandomAccessIterator> void sort (RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last)。它的参数为迭代器区间，它也可以接收数组指针。

2. 迭代器

迭代器是通用的遍历容器的方式，并且封装了容器的底层，屏蔽了容器结构的差异和底层实现的细节

迭代器可以复用/通用，实现算法时，用迭代器函数模板方式实现，跟底层容器结构解耦

支持迭代器也就支持范围for

在查看 cplusplus 网站时，也许会发现有些迭代器起的名字有些不同，如下图所示：

InputIterator 是只写迭代器，BidirectionalIterator 是双向迭代器，RandomAccessIterator 是随机迭代器。实践中容器迭代器分为三种类型：单向，双向，随机，它们是从功能的角度进行分类的，所有迭代器的都有的功能：++ ，*，!=；这三种迭代器的功能上有些许不同：

单向迭代器支持：++，*，!=

双向迭代器除了通用功能之外，还支持 - -

随机迭代器除了通用功能之外，还支持 - - /+ /-

怎么知道容器的迭代器是什么类型呢？在 cplusplus 网站上搜索相应的容器，向下划至Member types，就可以看到了，拿 list 举例子：

总结：

单向：单链表/哈希表

双向：红黑树/双向链表list

随机：string/vector/双端队列deque

一个容器的迭代器是哪种类型由容器的底层结构决定，迭代器支持什么功能与容器的底层支不支持有很大的关系。从算法角度来看，一个算法不是所有的容器都可以使用（就如上述所说的算法库中的 sort 排序算法），算法对迭代器是有一些要求的，算法的迭代器名字就是要求；算法要求传什么类型的迭代器就传什么类型的迭代器，如果不符合它的要求，程序会报错。

但是如果算法要求传单向迭代器，既可以传单向，也可以传双向和随机；如果算法要求传双向迭代器，既可以传双向，也可以传随机。为什么可以这样呢？单向双向随机迭代器之间的关系是继承关系，单向是双向和随机的父类，双向是随机的父类，子类是特殊的父类，要求传父类，可以传子类（了解即可，在继承部分会详细讲解）。

设计迭代器时除了单向双向随机，还有只读和只写迭代器，然而实际使用中并不会使用自读和只写迭代器：

3. sort 函数

list 中提供了 sort 函数，但是算法库中不是存在一个 sort 函数吗，用现成的不行吗？为什么 list 这里还要提供一个函数？因为算法库中的 sort 函数要求传随机迭代器，list 的迭代器是双向的，算法库中的 sort 函数不支持 list 。但是 list 提供的 sort 没什么用，为什么呢？对比算法库中的 sort 函数和 list 的 sort 函数的效率：

生成一百万个随机数，将这些随机数存储到 vector 和 list 容器中，vector 使用算法库中的 sort 函数排序这一百万个数，list 使用自己的 sort 函数排序一百万个数，对比两者排序所需要的时间。

效率比较代码：

cpp 复制代码

srand(time(0));
const int N = 1000000;

vector<int> v;
list<int> lt;

for (int i = 0; i < N; i++)
{
	auto e = rand() + i;
	v.push_back(e);
	lt.push_back(e);
}

int begin1 = clock();
sort(v.begin(), v.end());
int end1 = clock();

int begin2 = clock();
lt.sort();
int end2 = clock();

printf("vector sort：%d\n", end1 - begin1);
printf("list sort：%d\n", end2 - begin2);

运行结果：

这个结果可能不太明显，因为这个是在 debug 版本下运行的结果，接下来在 release 版本下运行代码，结果如下图所示：

再来演示一个场景 --- 生成一百万个随机数，将这些随机数都存储在 list 的实例化对象 lt1 和 lt2 中，其中用 lt1 的迭代器区间初始化 vector 实例化的对象 v，接下来的操作与前面的一样，比较两者排序所需的时间。

效率比较代码：

cpp 复制代码

srand(time(0));
const int N = 1000000;

list<int> lt1;
list<int> lt2;

for (int i = 0; i < N; i++)
{
	auto e = rand() + i;
	lt1.push_back(e);
	lt2.push_back(e);
}

vector<int> v(lt1.begin(), lt1.end());
int begin1 = clock();
sort(v.begin(), v.end());
int end1 = clock();

int begin2 = clock();
lt2.sort();
int end2 = clock();

printf("list copy vector sort：%d\n", end1 - begin1);
printf("list sort：%d\n", end2 - begin2);

运行结果：

为什么 debug 版本下与 release 版本下的运行效率差这么多呢？算法库中的 sort 函数的底层运用了快速排序算法，list 中的 sort 函数的底层运用了归并排序算法。快速排序算法中使用了递归，在debug 版本下显示不出递归算法的优势；在 release 版本下会自动优化递归算法，所以两个版本下，效率会差很多。

既然算法库中的 sort 函数的底层使用了快速排序算法，list 中的 sort 函数的底层使用了归并排序算法。在学习数据结构排序时，我们知道两个算法针对数组的排序效率是差不多的，时间复杂度均为nlogn。但是针对链表的排序效率是不同的，为什么呢？这与 cpu 高速缓存命中率有关（了解即可）。

所以一般默认存储数据优先使用顺序表 vector 容器，这也是为什么在写那些算法体的时候，提供的容器是 vector。数据是存储在内存中的，vector 和 list 容器的不同之处在于，一个内存空间是连续的，一个内存空间是不连续的。

4. remove 函数和 splice 函数

remove 函数的函数原型为：void remove (const value_type& val)，其函数的功能为：从容器中移除与 val 比较结果相等的所有元素。

代码：

cpp 复制代码

list<int> lt1 = { 2,4,5,3,7,3,7,2,1,3 };
Print(lt1);
lt1.remove(3);
Print(lt1);

运行结果：

splice 函数的函数原型为：void splice (iterator position, list& x, iterator i)，其函数的功能为：将元素从 x 转移到容器中，并将它们插入至指定位置。

代码：

cpp 复制代码

list<int>lt2 = { 2, 4, 6, 8, 0 };
Print(lt2);
auto it = find(lt2.begin(), lt2.end(), 0);
lt2.splice(lt2.begin(), lt2, it);
Print(lt2);

运行结果：

3. 结言

list 中许多函数的功能与 string 和 vector 容器的并无二异，掌握了 string 中的函数的使用方法，list 的函数也不在话下。本文最重要的部分是迭代器部分，之后模拟实现 list 时，最重要的部分也是迭代器部分。