前言
在 C++ 编程中，选择合适的容器至关重要。今天我们要深入学习的 list 是 STL 中最常用的容器之一，它的底层实现是带头结点的双向循环链表 。本文将带你从零开始，彻底掌握 list 的使用、原理和注意事项。
一、list 是什么？
list 是 C++ 标准模板库（STL）中的序列式容器，它的底层是一个带头结点的双向循环链表。
通俗理解
想象一列火车：
-
每节车厢就是一个元素
-
每节车厢都有前后两个挂钩，连接相邻车厢
-
你可以在任意位置插入或拆除车厢，而不影响其他车厢的连接关系
这就是 list 的本质------非连续存储，通过指针连接。
list 的特点
| 特点 | 说明 |
|---|---|
| 动态大小 | 元素个数可以动态变化 |
| 双向遍历 | 可以向前和向后遍历 |
| 常数时间插入/删除 | 在已知位置插入删除元素效率极高 |
| 不支持随机访问 | 不能使用 [] 或 at() 直接访问第 n 个元素 |
二、list 的完整使用指南
2.1 准备工作
cpp
#include <iostream>
#include <list>
#include <algorithm>
using namespace std;2.2 list 的构造方式
cpp
void test_constructor() {
// 1. 默认构造：空链表
list<int> l1;
// 2. 构造包含 n 个值为 val 的元素的链表
list<int> l2(5, 10); // 5 个 10
// 3. 拷贝构造
list<int> l3(l2);
// 4. 迭代器区间构造
int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
list<int> l4(arr, arr + 5);
// 5. 初始化列表构造（C++11）
list<int> l5 = {1, 2, 3, 4, 5};
// 打印验证
cout << "l2: ";
for (int x : l2) cout << x << " ";
cout << endl;
}
2.3 迭代器的使用
迭代器可以理解为指向链表节点的指针，通过它可以遍历和访问元素。
cpp
void test_iterator() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
// 正向迭代器：从前往后
cout << "正向遍历: ";
for (auto it = lst.begin(); it != lst.end(); ++it) {
cout << *it << " ";
}
cout << endl;
// 反向迭代器：从后往前
cout << "反向遍历: ";
for (auto it = lst.rbegin(); it != lst.rend(); ++it) {
cout << *it << " ";
}
cout << endl;
// 范围 for（底层也是迭代器）
cout << "范围 for: ";
for (int x : lst) {
cout << x << " ";
}
cout << endl;
}
2.4 容量相关操作
cpp
void test_capacity() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
cout << "是否为空: " << (lst.empty() ? "是" : "否") << endl;
cout << "元素个数: " << lst.size() << endl;
}2.5 元素访问
cpp
void test_element_access() {
list<int> lst = {10, 20, 30, 40, 50};
cout << "第一个元素: " << lst.front() << endl;
cout << "最后一个元素: " << lst.back() << endl;
// 注意：没有 lst[2] 这种用法！list 不支持随机访问
}2.6 修改操作（增删改）
这是 list 最强大的部分
cpp
void test_modifiers() {
list<int> lst;
// 尾部插入
lst.push_back(1);
lst.push_back(2);
lst.push_back(3);
// 头部插入
lst.push_front(0);
lst.push_front(-1);
cout << "插入后: ";
for (int x : lst) cout << x << " ";
cout << endl; // -1 0 1 2 3
// 在指定位置插入
auto it = lst.begin();
advance(it, 2); // 移动到第 3 个位置
lst.insert(it, 99);
cout << "在位置2插入99: ";
for (int x : lst) cout << x << " ";
cout << endl; // -1 0 99 1 2 3
// 删除
lst.pop_front(); // 删除头部
lst.pop_back(); // 删除尾部
cout << "删除首尾后: ";
for (int x : lst) cout << x << " ";
cout << endl; // 0 99 1 2
// 删除指定位置
it = lst.begin();
advance(it, 1);
lst.erase(it); // 删除 99
cout << "删除第二个元素后: ";
for (int x : lst) cout << x << " ";
cout << endl; // 0 1 2
// 清空所有
lst.clear();
cout << "清空后 size = " << lst.size() << endl;
}
2.7 其他实用操作
cpp
void test_other_operations() {
list<int> lst1 = {1, 2, 3};
list<int> lst2 = {4, 5, 6};
// 交换两个链表
lst1.swap(lst2);
cout << "交换后 lst1: ";
for (int x : lst1) cout << x << " ";
cout << endl;
// 反转链表
lst1.reverse();
cout << "反转后 lst1: ";
for (int x : lst1) cout << x << " ";
cout << endl;
// 排序（list 有自己的 sort，不能用 algorithm 的 sort）
list<int> lst3 = {5, 2, 8, 1, 9, 3};
lst3.sort();
cout << "排序后: ";
for (int x : lst3) cout << x << " ";
cout << endl;
// 去重（需要先排序）
list<int> lst4 = {1, 1, 2, 2, 3, 1, 1};
lst4.sort();
lst4.unique();
cout << "去重后: ";
for (int x : lst4) cout << x << " ";
cout << endl;
}
三、迭代器失效问题（重要！）
什么是迭代器失效？
迭代器就像一张车票 ，指向链表中的某个节点。当你删除这个节点后，这张车票就无效了，不能再使用
核心规则
| 操作 | 迭代器是否失效 |
|---|---|
| 插入（insert） | ❌ 不失效 |
| 删除（erase） | ✅ 被删除节点的迭代器失效 |
| 头尾插入删除 | 同上 |
| clear() | ✅ 所有迭代器失效 |
错误示例
cpp
void wrong_erase() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
auto it = lst.begin();
while (it != lst.end()) {
lst.erase(it); // it 指向的节点被删除，it 失效
++it; // ❌ 错误！使用失效的迭代器
}
}正确写法 1：使用 erase 的返回值
cpp
void correct_erase1() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
auto it = lst.begin();
while (it != lst.end()) {
it = lst.erase(it); // erase 返回下一个有效位置
}
cout << "删除后 size = " << lst.size() << endl;
}正确写法 2：先获取下一个再删除
cpp
void correct_erase2() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
auto it = lst.begin();
while (it != lst.end()) {
lst.erase(it++); // 先传 it，然后 it++，再删除原来的
}
cout << "删除后 size = " << lst.size() << endl;
}四、list vs vector：如何选择？
这是面试必考 、实际开发必用的知识点。
| 对比维度 | vector（动态数组） | list（双向链表） |
|---|---|---|
| 底层结构 | 连续内存空间 | 非连续，节点分散 |
| 随机访问 | ✅ O(1) | ❌ O(n) |
| 头部插入/删除 | ❌ O(n) | ✅ O(1) |
| 尾部插入/删除 | ✅ O(1)（均摊） | ✅ O(1) |
| 中间插入/删除 | ❌ O(n) | ✅ O(1) |
| 内存占用 | 紧凑，利用率高 | 额外存储前后指针 |
| 缓存友好 | ✅ 高 | ❌ 低 |
| 迭代器失效（插入） | ✅ 可能失效（扩容） | ❌ 不失效 |
| 迭代器失效（删除） | ✅ 后续全部失效 | ✅ 仅被删除的失效 |
// 场景1：需要频繁随机访问，选 vector
vector<int> scores; // 学生成绩，需要按索引访问
// 场景2：大量中间插入删除，选 list
list<int> taskQueue; // 任务队列，需要频繁在中间插入删除
// 场景3：不知道选什么，优先 vector
// vector 更简单，缓存友好，性能通常更好
六、常见陷阱与注意事项
1. 不要使用 algorithm 的 sort
cpp
list<int> lst = {5, 2, 8, 1};
// ❌ 错误！list 的迭代器不是随机访问迭代器
// sort(lst.begin(), lst.end());
// ✅ 正确！使用 list 自己的 sort
lst.sort();2. 不要用 [] 访问元素
cpp
list<int> lst = {1, 2, 3};
// ❌ 编译错误
// cout << lst[1];
// ✅ 使用迭代器或范围 for
auto it = lst.begin();
advance(it, 1);
cout << *it;3. 注意迭代器失效
cpp
// ❌ 危险
auto it = lst.begin();
lst.erase(it);
cout << *it; // it 已经失效！
// ✅ 安全
it = lst.erase(it); // 更新迭代器七、list模拟实现
cpp
#include<iostream>
#include<assert.h>
namespace ty {
template<class T>
struct list_node {
public:
T _data;
list_node<T>* _next;
list_node<T>* _prev;
list_node(const T& x)
: _data(x)
, _next(nullptr)
, _prev(nullptr)
{
}
};
template <class T, class Ref, class Ptr>
struct list_iterator
{
typedef list_node<T> Node;
typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;
Node* _node;
list_iterator(Node* node) :_node(node) {}
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
Ptr operator->()
{
return &_node->_data;
}
// 前置 ++
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
// 后置 ++
Self operator++(int)
{
Self temp = *this;
_node = _node->_next;
return temp;
}
// 前置 --
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
// 后置 --
Self operator--(int)
{
Self temp = *this;
_node = _node->_prev;
return temp;
}
bool operator !=(const Self& s)const
{
return _node != s._node;
}
bool operator ==(const Self& s)const
{
return _node == s._node;
}
};
//template <class T>
//struct list_const_iterator
//{
// typedef list_node<T> Node;
// typedef list_const_iterator<T> Self;
// Node* _node;
// list_const_iterator(Node* node) :_node(node) {}
// const T& operator*()
// {
// return _node->data;
// }
// const T* operator->()
// {
// return &_node->data;
// }
// // 前置 ++
// Self& operator++()
// {
// _node = _node->_next;
// return *this;
// }
// // 后置 ++
// Self operator++(int)
// {
// Self temp = *this;
// _node = _node->_next;
// return temp;
// }
// // 前置 --
// Self& operator--()
// {
// _node = _node->_prev;
// return *this;
// }
// // 后置 --
// Self operator--(int)
// {
// Self temp = *this;
// _node = _node->_prev;
// return temp;
// }
// bool operator !=(const Self& s)const
// {
// return _node != s._node;
// }
// bool operator ==(const Self& s)const
// {
// return _node == s._node;
// }
//};
template<class T>
class list {
public:
typedef list_node<T> Node;
/*typedef list_iterator<T> iterator;
typedef list_const_iterator<T> const_iterator;*/
typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
/*list() {
_head = new Node(T());
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}*/
void empty_init()
{
_head = new Node(T());
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
list()
{
empty_init();
}
list(const list<T>& other)
{
empty_init();
for (auto& e : other)
{
push_back(e);
}
}
void clear()
{
auto it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
list<T>& operator=(list<T> other)
{
swap(other);
return *this;
}
void swap(list<T>& lt)
{
std::swap(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x);
}
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}
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);
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
// 修复完毕！
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos != end());
Node* prev = pos._node->_prev;
Node* next = pos._node->_next;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete pos._node;
--_size;
return next;
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* newnode = new Node(x);
newnode->_next = cur;
newnode->_prev = prev;
prev->_next = newnode;
cur->_prev = newnode;
++_size;
return newnode;
}
size_t size() const {
return _size;
}
bool empty() const {
return _size == 0;
}
private:
Node* _head;
size_t _size = 0;
};
struct AA
{
int _a1;
int _a2;
// 必须加构造函数，否则 AA(1,2) 报错
AA(int a1 = 0, int a2 = 0)
:_a1(a1)
, _a2(a2)
{
}
};
template <class Container>
void print_container(const Container& v)
{
auto it = v.begin();
while (it != v.end()) {
std::cout << *it << " ";
++it;
}
std::cout << std::endl;
}
void test_list1() {
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
auto it = lt.begin();
while (it != lt.end()) {
std::cout << *it << " ";
++it;
}
std::cout << std::endl;
for (auto& x : lt)
{
std::cout << x << " ";
}
std::cout << std::endl;
print_container(lt);
it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
if (*it % 2 == 0)
it = lt.erase(it);
else
{
it++;
}
}
it = lt.begin();
print_container(lt);
/* list<AA> lta;
lta.push_back(AA(1, 2));
lta.push_back(AA(3, 4));
lta.push_back(AA(5, 6));
auto ita = lta.begin();
while (ita != lta.end()) {
std::cout << (*ita)._a1 << " " << (*ita)._a2 << " ";
std::cout<<ita.operator->()->_a1<<" "<<ita.operator->()->_a2<<std::endl;
std::cout<<ita->_a1<<" "<<ita->_a2;
++ita;
}
*/
}
void test3()
{
list<int> lt;
lt.push_back(100);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(784);
list<int> lt1(lt);
print_container(lt1);
print_container(lt);
list<int> lt2;
lt2.push_back(100);
lt2.push_back(255);
lt2.push_back(355333);
lt2.push_back(784);
lt = lt2;
print_container(lt);
}
void test4()
{
}
}
int main() {
ty::test_list1();
ty::test3();
ty::test4();
return 0;
}讲解：
1. 链表节点结构 list_node
cpp
template<class T>
struct list_node {
public:
T _data; // 存数据
list_node<T>* _next; // 后指针
list_node<T>* _prev; // 前指针
list_node(const T& x)
: _data(x)
, _next(nullptr)
, _prev(nullptr)
{}
};- 这就是一个链表节点
- 每个节点存一个数据 + 前后指针
- 构造时初始化数据，指针置空
2. 迭代器 list_iterator
这是代码最难、最核心、最牛逼的地方。
cpp
template <class T, class Ref, class Ptr>
struct list_iterator {
typedef list_node<T> Node;
Node* _node; // 迭代器本质：包装一个节点指针
list_iterator(Node* node) :_node(node) {}① operator*
cpp
Ref operator*() {
return _node->_data;
}*it 拿到节点里的数据
② operator->
cpp
Ptr operator->() {
return &_node->_data;
}用于自定义类型，比如 it->_a1
为什么迭代器要写 3 个模板参数？
cpp
template <class T, class Ref, class Ptr>T：节点数据类型Ref：引用类型（T&或const T&）Ptr：指针类型（T*或const T*）
这样一份迭代器代码，自动生成两种迭代器：
cpp
typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator; // 普通迭代器
typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator; // const迭代器八、总结
核心要点
-
list 是双向循环链表，插入删除快，但不支持随机访问
-
迭代器就是指向节点的指针，删除时要小心失效问题
-
插入不会导致迭代器失效，删除只会导致被删节点的迭代器失效
-
list 有自己的 sort 和 reverse，不能用 algorithm 的版本
-
vector vs list：随机访问多选 vector，插入删除多选 list