list容器详解——双向链表的封装与使用

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一、为什么需要list

在上一篇文章中，我们学习了vector以及底层原理

在 C++ STL 中，vector 是我们最常使用的容器之一；

它底层采用动态数组实现，具有连续的内存空间，因此支持快速随机访问。

同样vector可以直接使用下标来访问元素，这也是vector的最大优势

但是，vector不是万能的，当我们需要频繁在容器中间进行插入和删除操作时

由于vector中的元素是连续存储，因此对于vector便会挪动数据，导致效率会明显下降

此时，我们便需要一种新的数据结构：

不要求元素连续存储
插入和删除元素时不需要大量移动数据

这就是链表(List)

std::list底层采用双向链表实现，每个元素都是一个单独的节点

插入或者删除仅需修改指针关系即可；

为什么会提供list?

不同的数据结构适用于不同的场景：

如果需要大量查询、随机访问：
- 选择 vector
如果需要频繁插入、删除：
- 选择 list

STL 并没有设计一个"万能容器"，而是提供了多种容器，让开发者根据实际需求进行选择。

vector 追求的是访问效率，而 list 追求的是修改效率。

因此，list 的存在并不是为了替代 vector，而是为了弥补 vector 在频繁插入和删除场景下的不足

二、list和vector区别

vector和list都是STL中非常常用的容器，但由于底层结构不同，导致使用不同的场景；

简单来说：

vector适合随机访问，list适合插入与删除

1、底层结构不同

vector底层是一段连续的内存空间；

因此可以通过下标随机进行访问；

时间复杂度为O(1)

list底层是一个一个独立的节点；

节点之间通过指针进行连接；

不能使用下标进行访问，一般使用迭代器进行遍历

想要访问第n个节点，就需要循环n次，一个一个节点向下找

时间复杂度为O(N)

2、插入和删除效率不同

在vector中进行插入和删除时都需要挪动数据；

时间复杂度为O(1)

list中进行插入和删除时仅需修改指针指向即可，无需移动其他元素；

如果已经找到要插入或删除的位置，仅需**O(1)**时间即可

注意⚠️：如果没有找到位置，就需要先遍历链表，找到对应位置，这是**O(N)**级别

3、迭代器不同

我们仔细来看vector中的迭代器

发现：vector中是随机迭代器

再来看list

发现：list中是双向迭代器

只能**++/--**

4、总结对比

特点	vector	list
底层结构	动态数组	双向链表
内存结构	连续	不连续
随机访问	O(1)	O(n)
头部插入	O(n)	O(1)
中间插入	O(n)	O(1)（已有迭代器）
删除元素	O(n)	O(1)（已有迭代器）
空间利用	高	低
缓存友好	好	差
迭代器类型	随机访问迭代器	双向迭代器
支持下标	√	×

三、常用接口

和vector一样，我们先给出list接口文档：list的使用参考文档

1、默认成员函数

① 首先来看构造函数

整理出常用接口：

构造函数（constructor）	接口说明
list()	构造空的list
list(size_type n, const value_type& val = value_type())	构造的list中包含n个值为val的元素
list(InputIterator first, InputIterator last)	用[first, last)区间中的元素构造list
list(const list& x)	拷贝构造函数

我们依次来使用

在使用之前先实现一个打印容器的函数模板

cpp 复制代码

template<class T>
void print_container(const T& val)
{
	for (auto& e : val)
	{
		std::cout << e << " ";
	}
	std::cout << std::endl;
}

接着来测试试试

② 析构函数

析构函数就是在list对象生命周期结束时清理资源，自动调用；

③ 赋值重载运算符

注意⚠️：两个已经存在的对象赋值才会调用赋值重载运算符；否则便会调用拷贝构造

来测试一下：

2、迭代器

整理出常用接口：

迭代器	接口说明
begin + end	返回第一个元素的迭代器+返回最后一个元素下一个位置的迭代器
rbegin + rend	返回第一个元素的reverse_iterator,即end位置, 返回最后一个元素下一个位置的reverse_iterator,即begin位置

我们依次来使用

3、容量

整理出常用接口：

函数声明	接口说明
empty	检测list是否为空，是返回true，否则返回false
size	返回list中有效节点的个数

来使用一下

4、元素访问

函数声明	接口说明
front	返回list的第一个节点中值的引用
back	返回list的最后一个节点中值的引用

来测试一下

5、修改操作

整理出常用接口：

函数声明	接口说明
push_front	在list首元素前插入值为val的元素
pop_front	删除list中第一个元素
push_back	在list尾部插入值为val的元素
pop_back	删除list中最后一个元素
insert	在listposition位置中插入值为val的元素
erase	删除listposition位置的元素
swap	交换两个list中的元素
clear	清空list中的有效元素

我们来使用这些接口

四、迭代器特点

类型限制 ：双向迭代器 ，只能 ++ 和 -- 移动，不支持 +n、[] 或比较大小。
失效规则 ：极其稳定。插入和删除元素时，仅被删元素的迭代器失效，其他所有迭代器保持有效。
底层本质 ：封装了链表节点的指针，移动迭代器就是移动 node->next/prev。

接着通过一张表格来和vector的迭代器来比较一下

对比维度	`std::list` 迭代器	`std::vector` 迭代器
类型（类别）	双向迭代器	随机访问迭代器
支持的运算	仅 `++`、`--`、`==`、`!=`	支持 `++`、`--`、`+n`、`-n`、`[]`、`<`、`>`、`<=`、`>=`
底层本质	封装链表节点指针（`Node*`）	封装连续数组元素指针（`T*`）
插入元素时失效	永不失效	若扩容则全部失效；未扩容则插入位置之后的失效
删除元素时失效	仅被删除元素失效，其他迭代器保留	被删元素及其之后的所有迭代器失效
内存布局	非连续（节点分散于堆中）	连续内存块
随机访问耗时	O(n)，必须逐节点移动	O(1)，直接指针偏移计算
对 end() 操作	`end()` 是尾后哨兵，`--end()` 合法（前提非空）	`end()` 是尾后指针，`--end()` 合法（前提非空）

五、特有接口

下面来看看list的特有接口

我们整理成表格

函数声明	接口说明
splice	将另一个list中的元素转移到当前list的指定位置
remove	移除list中所有与给定值相等的元素
remove_if	移除list中所有满足谓词条件的元素
unique	移除list中连续重复的元素，只保留一个
merge	合并两个已排序的list，合并后仍保持有序
sort	对list中的元素进行排序（默认升序）
reverse	反转list中元素的顺序

我们同样依次来使用

六、迭代器失效

最后来看迭代器失效问题：

首先来思考一下，对于insert是否有迭代器失效问题？

在vector中，当在pos位置之前插入一个元素之后，由于相对位置的改变 ，我们认为迭代器失效了

而在list中，插入一个节点之后，仅仅改变了指针的链接，相对位置并未发生改变，因此，list中insert之后迭代器不失效

接着来看erase:

在vector中，删除pos位置的元素之后，pos位置的位置失效；

在list中，删除pos节点之后，指向当前节点的迭代器同样失效，但其他位置的迭代器并无影响；

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