C++ std::list超详细指南：基础实践（手搓list）

news/2025/3/14 8:31:45/

目录

一.核心特性

1.双向循环链表结构

2.头文件：#include

3.时间复杂度

4.内存特性

二.构造函数

 三.list iterator的使用

1.学习list iterator之前我们要知道iterator的区分

​编辑

 2.begin()+end() 

3. rbegin()+rend() 

 四.list关键接口

1.empty()

2. size()

3.front()

4. back()

5.push_front()

6. pop_front()

 7.push_back()

8. pop_back()

9.insert ()

10.erase()

11.swap()

12.clear()

五.list的迭代器失效

六.模拟实现list

1.List.h 

2.test.cpp

 七.list与vector的对比

一.核心特性

1.双向循环链表结构

每个节点包含前驱和后继指针

2.头文件：#include <list>

3.时间复杂度

任意位置插入/删除：O(1)

随机访问：O(n)

排序：O(n log n)

4.内存特性

非连续内存存储

每个元素需要额外存储两个指针（前驱+后继）

内存占用 ≈ sizeof(T)2 + 2指针大小

二.构造函数

int main()
{list<T> lst1;            // 空链表list<T> lst2(n);         // n个默认初始化元素list<T> lst3(n, value);  // n个value副本list<T> lst4(begin, end);// 迭代器范围构造list<T> lst5(init_list); // 初始化列表 C++11list<T> lst6(lst4);      // 拷贝构造
}

 三.list iterator的使用

1.学习list iterator之前我们要知道iterator的区分

功能上区分：

iterator普通迭代器
reverse_iterator反向迭代器
const_iterator只读迭代器
const_reverse_iterator只读反向迭代器

性质上区分：

名称代表容器支持操作
单向迭代器（ForwardIterator）Forward_list(单链表)，unordered_map++
双向迭代器（BidirectionalIterator）list(链表)，map，set++/--
随机迭代器（RandomAccessIterator）vector，string，deque++/--/+/-

通过底层结构决定可以实现哪些算法

比如算法库里的sort要求使用随机迭代器，list就无法使用这个算法

对于算法库里的reverse和find可以正常使用 

可以得知，功能是向上兼容得 

此处，大家可暂时将迭代器理解成一个指针，该指针指向list中的某个节点 

 2.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

3. 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

	list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);auto it = lt.rbegin();while (it != lt.rend()){cout << *it << " ";  //4 3 2 1++it;}cout << endl;
  • begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动
  • rbegin(end)与rend(begin)为反向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向前移动

 四.list关键接口

1.empty()

检测list是否为空，是返回true，否则返回false

	list<int> lt;cout<<lt.empty()<<endl;   //1lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);cout << lt.empty();    //0

2. size()

返回list中有效节点的个数

	list<int> lt;cout<<lt.size()<<endl;   //0lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);cout << lt.size();    //4

3.front()

返回list的第一个节点中值的引用

	list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);cout << lt.front();    //1

4. back()

返回list的最后一个节点中值的引用

	list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);cout << lt.back();    //4

5.push_front()

在list首元素前插入值为val的元素

	list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_front(5);    //5 1 2 3 4

6. pop_front()

删除list中第一个元素

	list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.pop_front();    //2 3 4

 7.push_back()

在list尾部插入值为val的元素

	list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);    //1 2 3 4 5

8. pop_back()

删除list中最后一个元素

	list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.pop_back();    //1 2 3

9.insert ()

在list position 位置中插入值为val的元素

	list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);std::list<int>::iterator it;it=lt.begin();int k = 3;while (k--){++it;}lt.insert(it, 30); 1 2 3 30 4

10.erase()

删除list position位置的元素

	list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);std::list<int>::iterator it;it=lt.begin();int k = 2;while (k--){++it;}lt.erase(it);  //1 2 4

11.swap()

交换两个list中的元素

	std::list<int> first(3, 100);   // 100 100 100std::list<int> second(5, 200);  // 200 200 200 200 200first.swap(second);   // 200 200 200 200 200

12.clear()

清空list中的有效元素

	std::list<int> mylist;mylist.push_back(1101);   //1101mylist.clear();mylist.push_back(2202);   //2202return 0;

五.list的迭代器失效

前面说过，此处大家可将迭代器暂时理解成类似于指针，迭代器失效即迭代器所指向的节点的无效，即该节点被删除了。因为list的底层结构为带头结点的双向循环链表，因此在list中进行插入时是不会导致list的迭代器失效的，只有在删除时才会失效，并且失效的只是指向被删除节点的迭代器，其他迭代器不会受到影响

void TestListIterator1() {int array[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0};list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));auto it = l.begin();while (it != l.end()) {// erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给其赋值l.erase(it);++it;}
}
// 改正 
void TestListIterator() {int array[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0};list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));auto it = l.begin();while (it != l.end()) {l.erase(it++); // it = l.erase(it);}
}

六.模拟实现list

1.List.h 

#pragma once  // 防止头文件重复包含
#include<assert.h>  // 断言检查// 实现双向链表及相关迭代器
class bit
{// 链表节点结构体模板template<class T>struct list_node{T _data;         // 节点存储的数据list_node<T>* _next; // 后继指针list_node<T>* _prev; // 前驱指针// 节点构造函数（默认构造空对象）list_node(const T& data = T()):_data(data), _next(nullptr), _prev(nullptr){}};// 链表迭代器结构体模板（支持普通/const迭代器）template<class T, class Ref, class Ptr>struct list_iterator{typedef list_node<T> Node;     // 节点类型重命名typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> self; // 迭代器自身类型Node* _node;  // 迭代器当前指向的节点list_iterator(Node* node) :_node(node) {}// 解引用操作符（返回数据引用）Ref operator*() { return _node->_data; }// 成员访问操作符（返回数据指针）// 使得 it->member 等价于 (&it->)_data->memberPtr operator->() { return &_node->_data; }// 前置++（移动到下一节点）self& operator++() {_node = _node->_next;return *this;}// 前置--（移动到前一节点）self& operator--() {_node = _node->_prev;return *this;}// 后置++（需要返回临时对象）self operator++(int) {self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}// 后置--（同上）self operator--(int) {self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}// 比较操作符重载bool operator!=(const self& s) const { return _node != s._node; }bool operator==(const self& s) const { return _node == s._node; }};// 链表类模板template <class T>class list{typedef list_node<T> Node; // 节点类型简写public:/*typedef list_iterator<T> iterator;typedef list_const_iterator<T> const_iterator;*/  //两个代码相似度太高，所以通过增加模板参数实现// 迭代器类型定义（通过模板参数实现const重载）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// 获取起始迭代器（指向第一个有效节点）iterator begin() { return _head->_next; }// 获取结束迭代器（哨兵节点）iterator end() { return _head; }// const版本迭代器const_iterator begin() const { return _head->_next; }const_iterator end() const { return _head; }// 初始化哨兵节点（构建空链表）void empty_init() {_head = new Node;       // 申请头节点_head->_next = _head;   // 初始状态自环_head->_prev = _head;_size = 0;              // 大小置零}// 默认构造函数list() { empty_init(); }// 初始化列表构造（支持花括号初始化）list(std::initializer_list<T> il) {empty_init();for (auto& e : il) {   // 遍历列表插入元素push_back(e);}}// 拷贝构造函数（深拷贝）list(const list<T>& lt) {empty_init();for (auto& e : lt) {   // 遍历插入每个元素push_back(e);}}// 赋值运算符（拷贝交换惯用法）list<T>& operator=(list<T> lt) {swap(lt); // 交换资源return *this;}// 析构函数（清理节点）~list() {clear();        // 删除所有数据节点delete _head;   // 释放哨兵节点_head = nullptr;}// 清空链表（保留哨兵节点）void clear() {auto it = begin();while (it != end()) {   // 逐个删除节点it = erase(it);}}// 交换两个链表内容void swap(list<T>& lt) {std::swap(_head, lt._head); // 交换头指针std::swap(_size, lt._size);  // 交换大小}// 尾插（复用insert实现）void push_back(const T& x) { //Node* newnode = new Node(x);//Node* tail = _head->_prev;//tail->_next = newnode;//newnode->_prev = tail;//newnode->_next = _head;//_head->prev = newnode;  insert(end(), x); //直接调用insert}// 头插void push_front(const T& x) { insert(begin(), x); }// 在pos位置前插入新节点iterator insert(iterator pos, const T& x) {Node* cur = pos._node;  // 当前节点Node* prev = cur->_prev; // 前驱节点Node* newnode = new Node(x); // 创建新节点// 调整指针链接newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;newnode->_prev = prev;prev->_next = newnode;++_size;        // 更新大小return newnode; // 返回新节点位置}// 尾删void pop_back() { erase(--end()); }// 头删void pop_front() { erase(begin()); }// 删除pos位置节点（注意：原代码此处返回类型应为iterator）iterator erase(iterator pos) {assert(pos != end()); // 不能删除哨兵节点Node* prev = pos._node->_prev; // 前驱节点Node* next = pos._node->_next; // 后继节点// 调整链接关系prev->_next = next;next->_prev = prev;delete pos._node; // 释放节点--_size;          // 更新大小return next; // 返回下一位置的迭代器}// 获取元素数量size_t size() const { return _size; }// 判断是否为空bool empty() const { return _size == 0; }private:Node* _head;    // 哨兵头节点size_t _size;   // 元素个数};
};// 打印容器内容（泛型模板）
template<class Container>
void print_container(const Container& con) {// 使用const迭代器遍历（保证内容不被修改）// const iterator -> 迭代器本身不能修改// const_iterator -> 指向内容不能修改typename Container::const_iterator it = con.begin(); // typename指明依赖类型//auto it = con.begin();或者使用autowhile (it != con.end()) {std::cout << *it << " ";++it;}std::cout << std::endl;// 范围for遍历（C++11特性）for (auto e : con) {std::cout << e << " ";}std::cout << std::endl;
}

2.test.cpp

#include <iostream>
#include <list>
#include<algorithm>using namespace std;
#include"list.h"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;for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;/*it = lt.begin();lt.erase(it + 3);*/// 不支持，要求随机迭代器//sort(lt.begin(), lt.end());string s("dadawdfadsa");cout << s << endl;sort(s.begin(), s.end());cout << s << 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);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;auto it = lt.begin();int k = 3;while (k--){++it;}lt.insert(it, 30);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;int x = 0;cin >> x;it = find(lt.begin(), lt.end(), x);if (it != lt.end()){lt.erase(it);}for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;
}
void test_list4()
{// 直接构造list<int> lt0({ 1,2,3,4,5,6 });// 隐式类型转换list<int> lt1 = { 1,2,3,4,5,6,7,8 };const list<int>& lt3 = { 1,2,3,4,5,6,7,8 };print_container(lt1);
}int main()
{//test_list3();//test_list4();test_list1();}

 七.list与vector的对比

vectorlist
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

 学到C++11时需要补充一些新的接口。


http://www.ppmy.cn/news/1578993.html

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