【043】解密C++ STL：深入理解并使用 list 容器

解密C++ STL：深入理解并使用list容器

  • 引言
  • 一、list 容器概述
  • 二、list容器常用的API
    • 2.1、构造函数
    • 2.2、数据元素插入和删除操作
    • 2.3、大小操作
    • 2.4、赋值操作
    • 2.5、数据的存取
    • 2.6、list容器的反转和排序
  • 三、使用示例
  • 总结

引言

💡 作者简介：一个热爱分享高性能服务器后台开发知识的博主，目标是通过理论与代码实践的结合，让世界上看似难以掌握的技术变得易于理解与掌握。技能涵盖了多个领域，包括C/C++、Linux、Nginx、MySQL、Redis、fastdfs、kafka、Docker、TCP/IP、协程、DPDK等。
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一、list 容器概述

链表是一种物理存储单元上非连续、非顺序的存储结构，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的。

链表由一系列结点(链表中每一个元素称为结点)组成，结点可以在运行时动态生成。每个结点包括两个部分:一个是存储数据元素的数据域，另一个是存储下一个结点地址的指针域。相较于vector的连续线性空间，list就显得负责许多，它的好处是每次插入或者删除一个元素，就是配置或者释放一个元素的空间。因此，list对于空间的运用有绝对的精准，一点也不浪费。而且，对于任何位置的元素插入或元素的移除，list永远是常数时间。List和vector是两个最常被使用的容器。List容器是一个双向链表。

在这里插入图片描述
采用动态存储分配，不会造成内存浪费和溢出链表执行插入和删除操作十分方便，修改指针即可，不需要移动大量元素链表灵活，但是空间和时间额外耗费较大。

二、list容器常用的API

2.1、构造函数

C++标准库中的列表容器（List Container）是一个双向链表的实现，提供了高效的插入和删除操作。其构造函数的原型如下：

explicit list(const Allocator& alloc = Allocator());
list(size_type count, const T& value, const Allocator& alloc = Allocator());
explicit list(size_type count, const Allocator& alloc = Allocator());
template <class InputIt>
list(InputIt first, InputIt last, const Allocator& alloc = Allocator());
list(const list& other);
list(const list& other, const Allocator& alloc);
list(list&& other) noexcept;
list(list&& other, const Allocator& alloc);

使用示例：

  1. 使用默认构造函数创建空的列表：
std::list<int> myList;
  1. 使用指定元素个数和默认值创建列表：
std::list<int> myList(5, 10); // 创建包含5个值为10的元素的列表
  1. 使用范围内的元素创建列表：
std::vector<int> vec{1, 2, 3, 4, 5};
std::list<int> myList(vec.begin(), vec.end()); // 从vector中的元素创建列表
  1. 复制另一个列表创建新列表：
std::list<int> myList1{1, 2, 3};
std::list<int> myList2(myList1); // 通过复制myList1创建一个新列表
  1. 移动另一个列表创建新列表：
std::list<int> myList1{1, 2, 3};
std::list<int> myList2(std::move(myList1)); // 通过移动myList1创建一个新列表

2.2、数据元素插入和删除操作

  1. 插入操作：

  • push_back：在列表末尾插入一个元素。

    void push_back(const T& value);

    示例：

    std::list<int> myList;
myList.push_back(42);  // 在列表末尾插入值为42的元素

  • push_front：在列表开头插入一个元素。

    void push_front(const T& value);

    示例：

    std::list<int> myList;
myList.push_front(42);  // 在列表开头插入值为42的元素

  • insert：在指定位置插入一个或多个元素。

    iterator insert(const_iterator pos, const T& value);
iterator insert(const_iterator pos, size_type count, const T& value);

    示例：

    std::list<int> myList{1, 2, 3};
myList.insert(myList.begin() + 1, 4);         // 在索引1处插入值为4的元素
myList.insert(myList.end(), 2, 5);            // 在末尾插入两个值为5的元素
myList.insert(myList.begin(), {6, 7, 8});     // 在开头插入值为6、7、8的元素
  1. 删除操作：

  • pop_back：删除列表末尾的一个元素。

    void pop_back();

    示例：

    std::list<int> myList{1, 2, 3};
myList.pop_back();  // 删除列表末尾的元素

  • pop_front：删除列表开头的一个元素。

    void pop_front();

    示例：

    std::list<int> myList{1, 2, 3};
myList.pop_front();  // 删除列表开头的元素

  • erase：在指定位置或范围内删除一个或多个元素。

    iterator erase(const_iterator pos);
iterator erase(const_iterator first, const_iterator last);

    示例：

    std::list<int> myList{1, 2, 3, 4, 5};
myList.erase(myList.begin() + 2);                  // 删除索引为2的元素
myList.erase(myList.begin() + 1, myList.end());    // 删除从索引1到末尾的所有元素

  • remove：删除列表中值等于给定值的所有元素。

    void remove(const T& value);

    示例：

    std::list<int> myList{1, 2, 3, 2, 4, 2};
myList.remove(2);   // 删除所有值为2的元素

  • clear：清空列表中的所有元素。

    void clear();

    示例：

    std::list<int> myList{1, 2, 3, 4, 5};
myList.clear();     // 清空列表中的所有元素

2.3、大小操作

下面是list容器大小操作的函数原型和使用示例：

  1. size：返回列表中元素的个数。
size_type size() const;

示例：

std::list<int> myList{1, 2, 3, 4, 5};
size_t size = myList.size();   // 获取列表中元素的个数，结果为5
  1. empty：检查列表是否为空。
bool empty() const;

示例：

std::list<int> myList;
bool isEmpty = myList.empty();    // 检查列表是否为空，结果为true
  1. max_size：返回列表可能包含的最大元素数量。
size_type max_size() const;

示例：

std::list<int> myList;
size_t maxSize = myList.max_size();   // 获取列表可能包含的最大元素数量
  1. resize：改变列表的大小，可以增加或减少元素的数量。
void resize(size_type count);
void resize(size_type count, const value_type& value);
  • 第一个版本将列表的大小更改为指定的count值，如果count小于当前大小，则删除多余的元素；如果count大于当前大小，则在末尾插入默认构造的元素。新添加的元素将使用T的默认构造函数创建。
  • 第二个版本将列表的大小更改为指定的count值，并使用value作为新插入元素的值。

示例1：

std::list<int> myList{1, 2, 3, 4, 5};
myList.resize(8);    // 将列表的大小更改为8，多出的3个元素将使用int的默认构造函数创建，结果为 {1, 2, 3, 4, 5, 0, 0, 0}

示例2：

std::list<int> myList{1, 2, 3, 4, 5};
myList.resize(10, 42);   // 将列表的大小更改为10，多出的5个元素将使用值为42的元素填充，结果为 {1, 2, 3, 4, 5, 42, 42, 42, 42, 42}

2.4、赋值操作

list容器提供了几种赋值操作函数：assign、operator=重载和swap。

  1. assign：用新元素替换列表中的内容。
void assign(size_type count, const T& value);
template<class InputIterator>
void assign(InputIterator first, InputIterator last);
  • 第一个版本将列表的内容替换为count个值为value的元素。
  • 第二个版本将列表的内容替换为范围[first, last)中的元素，可以是另一个容器或迭代器表示的序列。

示例1：

std::list<int> myList;
myList.assign(5, 42);   // 将列表赋值为5个值为42的元素，结果为 {42, 42, 42, 42, 42}

示例2：

std::list<int> myList1{1, 2, 3};
std::list<int> myList2{4, 5, 6};
myList1.assign(myList2.begin(), myList2.end());   // 将列表赋值为myList2的内容，结果为 {4, 5, 6}
  1. operator=重载：使用一个列表替换另一个列表的内容。
list& operator=(const list& other);

示例：

std::list<int> myList1{1, 2, 3};
std::list<int> myList2{4, 5, 6};
myList1 = myList2;   // 将myList1的内容替换为myList2的内容，结果为 {4, 5, 6}
  1. swap：交换两个列表的内容。
void swap(list& other);

示例：

std::list<int> myList1{1, 2, 3};
std::list<int> myList2{4, 5, 6};
myList1.swap(myList2);   // 交换myList1和myList2的内容，结果为 myList1: {4, 5, 6}，myList2: {1, 2, 3}

2.5、数据的存取

list容器提供了两个用于数据存取的函数：front和back。

  1. front：返回第一个元素的引用。
reference front();
const_reference front() const;
  • 第一个版本返回对第一个元素的引用，可以用于修改元素的值。
  • 第二个版本在常量列表上返回对第一个元素的引用，不能用于修改元素的值。

示例：

std::list<int> myList{1, 2, 3, 4, 5};
int& firstElement = myList.front();     // 获取第一个元素的引用
int firstValue = myList.front();        // 获取第一个元素的值

firstElement = 10;                      // 修改第一个元素的值
std::cout << myList.front() << std::endl;   // 输出结果为 10
  1. back：返回最后一个元素的引用。
reference back();
const_reference back() const;
  • 第一个版本返回对最后一个元素的引用，可以用于修改元素的值。
  • 第二个版本在常量列表上返回对最后一个元素的引用，不能用于修改元素的值。

示例：

std::list<int> myList{1, 2, 3, 4, 5};
int& lastElement = myList.back();       // 获取最后一个元素的引用
int lastValue = myList.back();          // 获取最后一个元素的值

lastElement = 20;                       // 修改最后一个元素的值
std::cout << myList.back() << std::endl;    // 输出结果为 20

通过使用front和back函数，您可以访问和修改list容器中的首尾元素。但是，在空列表上调用front或back函数是错误的，因为列表不包含任何元素时是无效的操作，可能引发未定义的行为。

2.6、list容器的反转和排序

list容器提供了两个函数用于反转排序：reverse和sort。以下是它们的函数原型和使用示例：

  1. reverse：将列表中的元素按相反的顺序重新排列。
void reverse();
  • 该函数会更改列表中元素的顺序，将第一个元素置于最后一个元素的位置，第二个元素置于倒数第二个位置，依此类推。

示例：

std::list<int> myList{1, 2, 3, 4, 5};
myList.reverse();   // 反转列表中元素的顺序

for (const auto& num : myList) {
    std::cout << num << " ";   // 输出结果为 5 4 3 2 1
}
  1. sort：对列表中的元素进行排序。
void sort();
  • 该函数会按升序对列表中的元素进行排序，默认使用 < 运算符进行比较。

示例：

std::list<int> myList{5, 2, 4, 1, 3};
myList.sort();   // 对列表中元素进行升序排序

for (const auto& num : myList) {
    std::cout << num << " ";   // 输出结果为 1 2 3 4 5
}

通过调用reverse函数，可以将list容器中的元素按相反的顺序重新排列。而通过调用sort函数，则可以对列表中的元素进行排序。

三、使用示例

以下是一个使用list容器的简单案例：

#include <iostream>
#include <list>

int main() {
    std::list<int> myList;

    // 向列表中添加元素
    myList.push_back(1);
    myList.push_back(2);
    myList.push_back(3);

    // 遍历并输出列表中的元素
    for (const auto& num : myList) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 在特定位置插入元素
    auto it = myList.begin();
    ++it;  // 移动迭代器到第二个位置
    myList.insert(it, 4);

    // 遍历并输出更新后的列表
    for (const auto& num : myList) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 从列表中删除指定元素
    myList.remove(2);

    // 遍历并输出更新后的列表
    for (const auto& num : myList) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 清空列表
    myList.clear();

    // 检查列表是否为空
    if (myList.empty()) {
        std::cout << "列表为空" << std::endl;
    }

    return 0;
}

上述代码展示了使用list容器的一些常见操作：

  • 使用push_back函数向列表末尾添加元素。
  • 使用循环遍历列表并输出其中的元素。
  • 使用insert函数在指定位置插入元素。
  • 使用remove函数删除指定元素。
  • 使用clear函数清空列表中的所有元素。
  • 使用empty函数检查列表是否为空。

总结

List容器是C++标准库中的一种线性容器，它提供了双向链表的实现。

  1. 特点：

    • 双向链表：list容器使用双向链表实现，每个节点都包含一个指向前驱节点和后继节点的指针，因此在插入和删除操作上具有较好的性能。
    • 动态大小：list容器的大小可以根据需要动态调整，不会有预设上限。
    • 插入和删除效率高：由于双向链表的特性，list容器对于插入和删除操作具有较高的效率。插入和删除元素时不会产生元素的移动操作。
    • 迭代器稳定性：list容器支持稳定的迭代器，即当进行插入和删除操作时，仅影响相关节点，不会使其他迭代器失效。

  2. 使用方法：

    • 头文件：<list>。
    • 声明容器：std::list<T> myList;，其中T为存储在列表中的元素类型。
    • 添加元素：使用push_back函数将元素添加到列表末尾，使用push_front函数将元素添加到列表头部。
    • 遍历列表：可以使用范围-based for循环或迭代器遍历访问列表中的元素。
    • 插入和删除元素：使用insert函数在指定位置插入元素，使用erase函数删除指定位置的元素。
    • 反转和排序：可以使用reverse函数反转列表中元素的顺序，使用sort函数对列表进行排序。
    • 其他操作：list容器还提供了诸如访问第一个元素、最后一个元素、大小、清空列表等操作。

  3. 适用场景：

    • 需要频繁进行插入和删除操作，而不关注随机访问性能。
    • 需要稳定的迭代器，避免插入和删除操作导致迭代器失效。
    • 需要支持高效地在任意位置插入和删除元素，而不需要连续内存空间的特性。

  4. 注意点：

  • list容器的迭代器是双向迭代器，不支持+2，但支持++。
  • STL提供的算法只支持随机访问迭代器，而list容器的迭代器是双向迭代器，所以sort算法不支持list迭代器。如果要排序，可以使用list类模板提供的sort函数。

list容器是一个非常有用的线性容器，适用于需要频繁进行插入和删除操作，并且需要稳定迭代器的场景。它通过双向链表的实现，在插入和删除操作上具有较好的性能，并提供了丰富的操作函数来满足各种需求。
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