cpp_list

T.Ree.2025-11-09 20:03

【本节目标】

  1. list的介绍及使用
  2. list的深度剖析及模拟实现
  3. list与vector的对比

🤔🤔思考 ：为什么会有list?

首先补充vector存在的的缺点
vector缺点：

  1. 头部和中部的插入删除效率低 。O（N），因为需要挪动数据。
  2. 插入数据空间不够需要增容。增容需要开新空间、拷贝数据、释放旧空间，会付出很大的代价。

优点：

  1. 支持下标的随机访问。间接的就很好的支持排序、二分查找、堆算法等等。

注意：list出现就是为了解决vector的缺陷

优点

  1. 1ist头部、中间插入不再需要挪动数据，效率高。0（1）
  2. list插入数据是新增节点，不需要增容。

缺点

  1. 不支持随机访问。

所以实际使用中vector和list是相辅相成的两个容器

1. list的介绍及使用

1.1 list的介绍

  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)

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。

1.2.1 list的增删

cpp 复制代码 
#include<list>

void test_list1()
{
	//带头双向循环链表
	list<int> l;
	//尾插
	l.push_back(1);
	l.push_back(2);
	l.push_back(3);
	l.push_back(4);
	//头插
	l.push_front(0);
	l.push_front(-1);
	l.push_front(-2);


	list<int>::iterator it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	//尾删
	l.pop_back();
	//头删
	l.pop_front();

	for (auto e : l)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	//反向遍历list容器
	list<int>::reverse_iterator rit = l.rbegin();
	while (rit != l.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;

}

int main()
{
	test_list1();
	return 0;
}

只读的list打印工具函数

cpp 复制代码 
void print_list(const list<int>& l)
{
	list<int>::const_iterator it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		//*it = l;不可以修改
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

  • 安全性：确保打印函数不会意外修改数据

  • 明确性：通过函数签名表明这是只读操作

  • 效率：使用引用避免拷贝整个list

1.2.2 list的简单调用

cpp 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<list>

using namespace std;

void print_list(const list<int>& l)
{
	list<int>::const_iterator it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		//*it = l;不可以修改
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}
void test_list1()
{
	list<int> lt1;
	lt1.push_back(1);
	lt1.push_back(2);
	lt1.push_back(3);
	lt1.push_back(4);

	list<int>::iterator it1 = lt1.begin();
	while (it1 != lt1.end())
	{
		cout << *it1 << " ";
		++it1;
	}
	cout << endl;

	//拷贝构造
	list<int> lt2(lt1);
	print_list(lt2);
	//赋值
	list<int> lt3;
	lt3.push_back(10);
	lt3.push_back(20);
	lt3.push_back(30);
	lt3.push_back(40);
	lt1 = lt3;
	//只要一个容器支持迭代器，就可以使用范围for的操作
	for (auto e : lt1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	//reverse 逆置
	//reserve 保留
	list<int>::reverse_iterator rit1 = lt1.rbegin();
	while (rit1 != lt1.rend())
	{
		cout << *rit1 << " ";
		++rit1;
	}
	cout << endl;
		

}
int main()
{
	test_list1();
	return 0;
}

1.2.3 list中任意位置的插入删除

cpp 复制代码 
//任意位置的插入删除
void print_list(const list<int>& l)
{
	list<int>::const_iterator it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		//*it = l;不可以修改
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}
void test_list3()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);
	lt.push_back(5);
	lt.push_back(6);
	print_list(lt);
	//那么想在3的前面插入一个30怎么办呢
	//list是不支持lt.insert(lt.begin()+2,30)的
	list<int>::iterator pos = find(lt.begin(), lt.end(), 3);
	if (pos != lt.end())//为什么要这个判断？危险！如果pos是end()，这是未定义行为！
	{
		lt.insert(pos, 30);//在3前面插入30
		//这里insert以后pos失效了吗
	}
	print_list(lt);

}

🤔🤔思考：insert以后pos失效了吗

list的insert操作不会 使迭代器失效

插入后，原来的pos仍然指向原来的元素（值为3的节点）

补充：不同容器的迭代器失效规则

容器 insert操作 erase操作
容器 insert操作 erase操作
list 不会失效 被删除的迭代器失效，其他不受影响
vector 插入点及之后的所有迭代器可能失效 被删除点及之后的所有迭代器失效

关键点：list的节点式存储结构使得插入删除操作不会影响其他迭代器的有效性，这也是选择list而不是vector的一个重要考虑因素。

1.2.4 list的迭代器失效

修改如下：

cpp 复制代码 
void test_list5()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(5);
	lt.push_back(4);
	lt.push_back(6);
	//假设要删除偶数
	list<int>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
		{
			it = lt.erase(it);//用it来接收这个位置
		}
		else
		{
			++it;
		}
	}
	print_list(lt);

}

为什么会失效？

当调用 lt.erase(it) 时：

  • 被删除的节点从链表中移除

  • 指向被删除节点的迭代器it变为无效

  • 对无效迭代器进行任何操作（包括 ++）都是未定义行为

迭代器失效的总结：

1、vector的iterator（指的是迭代器），insert、erase都会导致失效-> 原因：vector是连续存储的数组

2、list的iterator，erase会导致失效-> 原因：list是链表结构

2. list的模拟实现

2.1 模拟实现list

cpp 复制代码 
#pragma once
#include <iostream>
namespace tree
{
	template<class T>
	struct __list_node
	{
		__list_node<T>* _next;
		__list_node<T>* _prev;
		T _data;

		__list_node(const T& x=T())
			:_data(x)
			, _next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
		{ }
		
	};

	//构造迭代器
	template<class T>
	struct __list_iterator
	{
		typedef __list_node<T> Node;
		Node* _node;
		__list_iterator(Node* node)
			:_node(node)
		{ }

		//*it
		T& operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

		//++it
		__list_iterator<T>& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		//it++
		__list_iterator<T> operator++(int)
		{
			__list_iterator<T> tmp = *this;
			_node = _node->_next;
			return tmp;
		}

		//--it
		__list_iterator<T>& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		//it--
		__list_iterator<T> operator--(int)
		{
			__list_iterator<T> tmp = *this;
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}

		//it!=end()
		bool operator!=(const __list_iterator<T>& it)
		{
			return _node != it._node;
		}
	};
	
	template<class T>
	class list
	{
		typedef __list_node<T> Node;
	public:
		typedef __list_iterator<T> iterator;

		iterator begin()
		{
			return iterator(_head->_next);
		}

		iterator end()
		{
			return iterator(_head);
		}
		//带头双向循环链表
		list()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}

		void push_back(const T& x)
		{
			Node* tail = _head->_prev;
			Node* newnode = new Node(x);

			tail->_next = newnode;
			newnode->_prev = tail;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;
		}
	private:
		Node* _head;
	};

	void test_list1()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);

		list<int>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}
}

双向循环链表分析：

结果：

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
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