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。以下为list中一些常见的重要接口：
1.2.1 list的构造
| 构造函数 | 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 (const list& x) | 拷贝构造函数 |
| list (InputIterator first, InputIterator last) | 用[first, last)区间中的元素构造list |
// constructing lists
#include <iostream>
#include <list>
int main ()
{
std::list<int> l1; // 构造空的l1，实际上是创建了链表的头结点
std::list<int> l2 (4,100); // l2中放4个值为100的元素
std::list<int> l3 (l2.begin(), l2.end()); // 用l2的[begin(), end()）左闭右开的区间构造l3
std::list<int> l4 (l3); // 用l3拷贝构造l4
// 以数组为迭代器区间构造l5
int array[] = {16,2,77,29};
std::list<int> l5 (array, array + sizeof(array) / sizeof(int) );
// 用迭代器方式打印l5中的元素
for(std::list<int>::iterator it = l5.begin(); it != l5.end(); it++)
std::cout << *it << " ";
std::cout<<endl;
for(auto& e : l5)
std::cout<< e << " ";
std::cout<<endl;
return 0;
}
1.2.2 list iterator的使用
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| begin() | 返回第一个元素的迭代器 |
| end() | 返回最后一个元素下一个位置的迭代器 |
| rbegin() | 返回第一个元素的reverse_iterator,即end位置 |
| rend() | 返回最后一个元素下一个位置的reverse_iterator,即begin位置 |
| cbegin() | (C++11) 返回第一个元素的cosnt_iterator |
| cend() | (C++11) 返回最后一个元素下一个位置的const_iterator |
| crbegin() | (C++11) 即crend()位置 |
| crend() | (C++11) 即crbegin()位置 |
【注意】
1.begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动
2.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，注意需要采用reverse_iterator来操作反向迭代器。
3.cbegin与cend为const的正向迭代器，与begin和end不同的是：该迭代器指向节点中的元素值不能修改
4.crbegin与crend为const的反向得带器，与rbegin和rend不同的是：该迭代器指向节点中的元素值不能修改
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
// 使用正向迭代器正向list中的元素
for (list<int>::iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
cout << *it << " ";
cout << endl;
// 使用反向迭代器逆向打印list中的元素
for (list<int>::reverse_iterator it = l.rbegin(); it != l.rend(); ++it) // 模拟实现时++ *等需要重载，均为针对对象的操作
cout << *it << " ";
cout << endl;
// cosnt的正向迭代器
auto cit = l.cbegin();
cout << typeid(cit).name() << endl;
//*cit = 10; 此行代码编译失败，因为cit为const_iterator类型的迭代器
return 0;
}
list没有提供迭代器加减的操作，只提供了++、- -操作。即无法完成list::iterator pos = l1.begin() + 3，只能通过循环++遍历到达该链表元素，或者list::iterator pos1 = --pos2这样的操作。
1.2.3 list capacity
| 函数生命 | 接口说明 |
|---|---|
| bool empty() const | 检测list是否为空，是返回true，否则返回false |
| size_t size() const | 返回list中有效节点的个数 |
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
// 打印list中有效节点的个数
cout << l.size() << endl;
// 检测list是否为空
if (l.empty())
cout << "空的list" << endl;
else
{
for (const auto& e : l)
cout << e << " ";
cout << endl;
}
return 0;
}
1.2.4 list element access
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| reference front() | 返回list的第一个节点中值的引用 |
| const_reference front() const | 返回list的第一个节点中值的const引用 |
| reference back() | 返回list的最后一个节点中值的引用 |
| const_reference back() const | 返回list的最后一个节点中值的const引用 |
注意：返回引用，同[ ]（中括号）一致返回引用，即它可以修改，弥补了[ ]（中括号）的作用
#include <iostream>
using namespace std;
#include <list>
int main()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
list<int> l1(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
for (auto& e : l1)
cout << e << " ";
cout << endl;
// 将list中第一个节点与最后一个节点中的值改为10
// 相当于l1[front] = 10; l2[back] = 10; 弥补了中括号在此的作用
l1.front() = 10;
l1.back() = 10;
for (auto& e : l1)
cout << e << " ";
cout << endl;
const list<int> l2(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
//int& a = l2.front(); 因为l2是const类型的list对象，因此其front()为const 引用类型
const int& ca = l2.front();
return 0;
}
1.2.5 list modifiers
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| void push_front (const value_type& val) | 在list首元素前插入值为val的元素 |
| void pop_front() | 删除list中第一个元素 |
| void push_back (const value_type& val) | 在list尾部插入值为val的元素 |
| void pop_back() | 删除list中最后一个元素 |
| template <class… Args> void emplace_front (Args&&… args) （C++11） | 在list第一个元素前根据参数直接构造元素 |
| template <class… Args> void emplace_back (Args&&… args) （C++11） | 在list最后一个元素后根据参数直接构造元素 |
| template <class… Args> iterator emplace( const_iterator position, Args&&… args) （C++11） | 在链表的任意位置根据参数直接构造元素 |
| iterator insert (iterator position, const value_type& val) | 在list position 位置中插入值为val的元素 |
| void insert (iterator position, size_type n, const value_type& val) | 在list position位置插入n个值为val的元素 |
| void insert (iterator position, InputIterator first, InputIterator last) | 在list position位置插入[first, last)区间中元素 |
| iterator erase (iterator position) | 删除list position位置的元素 |
| iterator erase (iterator first, iterator last) | 删除list中[first, last)区间中的元素 |
| void swap (list& x) | 交换两个list中的元素 |
| void resize (size_type n, value_type val = value_type()) | 将list中有效元素个数改变到n个，多出的元素用val填充 |
| void clear() | 清空list中的有效元素，即保留头部将元素全部释放 |
#include <list>
void PrintList(list<int>& l
{
for (auto& e : l)
cout << e << " ";
cout << endl;
}
//=========================================================================================
// push_back/pop_back/push_front/pop_front
void TestList1()
{
int array[] = { 1, 2, 3 };
list<int> L(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
// 在list的尾部插入4，头部插入0
L.push_back(4);
L.push_front(0);
PrintList(L);
// 删除list尾部节点和头部节点
L.pop_back();
L.pop_front();
PrintList(L);
}
//=========================================================================================
// emplace_back / emplace_front / emplace
class Date
{
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{
cout << "Date(int, int, int):" << this << endl;
}
Date(const Date& d)
: _year(d._year)
, _month(d._month)
, _day(d._day)
{
cout << "Date(const Date&):" << this << endl;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
// push_back尾插：先构造好元素，然后将元素拷贝到节点中，插入时先调构造函数，再调拷贝构造函数
// emplace_back尾插：先构造节点，然后调用构造函数在节点中直接构造对象
// emplace_back比push_back更高效，少了一次拷贝构造函数的调用
void TestList2()
{
list<Date> l;
Date d(2018, 10, 20);
l.push_back(d);
l.emplace_back(2018, 10, 21);
l.emplace_front(2018, 10, 19);
}
//=========================================================================================
// insert /erase
// 与以前用法完全一致
void TestList3()
{
int array1[] = { 1, 2, 3 };
list<int> L(array1, array1+sizeof(array1)/sizeof(array1[0]));
// 获取链表中第二个节点
auto pos = ++L.begin();
cout << *pos << endl;
// 在pos前插入值为4的元素
L.insert(pos, 4);
PrintList(L);
// 在pos前插入5个值为5的元素
L.insert(pos, 5, 5);
PrintList(L);
// 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素
vector<int> v{ 7, 8, 9 };
L.insert(pos, v.begin(), v.end());
PrintList(L);
// 删除pos位置上的元素
L.erase(pos);
PrintList(L);
// 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素
L.erase(L.begin(), L.end());
PrintList(L);
}
// resize/swap/clear
void TestList4()
{
// 用数组来构造list
int array1[] = { 1, 2, 3 };
list<int> l1(array1, array1+sizeof(array1)/sizeof(array1[0]));
PrintList(l1);
// 将l1中元素个数增加到10个，多出的元素用默认值填充
// (注意：如果list中放置的是内置类型，默认值为0, 如果list中放置自定义类型元素，调用缺省构造函数)
l1.resize(10);
PrintList(l1);
// 将l1中的元素增加到20个，多出的元素用4来填充
l1.resize(20, 4);
PrintList(l1);
// 将l1中的元素减少到5个
l1.resize(5);
PrintList(l1);
// 用vector中的元素来构造list
vector<int> v{ 4, 5, 6 };
list<int> l2(v.begin(), v.end());
PrintList(l2);
// 交换l1和l2中的元素
l1.swap(l2);
PrintList(l1);
PrintList(l2);
// 将l2中的元素清空
l2.clear();
cout<<l2.size()<<endl;
}
这里的insert均是在pos前插数字，与vector的insert的操作一致，但是其为双向链表的操作，故效率更高，不必像vector一样进行数据平移操作。
list中还有一些操作，需要用到时可参阅list的文档说明
1.2.6 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（因为是前插并且没有开辟新空间），这是与vector不同的点。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);
}
}
举一个简单的小例子，理解list中insert()函数的操作，理解迭代器不失效的原理：
// l5 = 1 2 3 4 5 pos指向5
// l6 = 6 7 8 9 10
// 插入过后l5 = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
list<int>::iterator pos2 = l5.insert(pos, l6.begin(), l6.end());
cout << *pos << endl; // pos指向位置不会变 仍打印5
cout << *pos2 << endl; // pos2指向插入的第一个元素，打印6
1.2.7 list的sor()、merge()函数使用
int ltest3()
{
int arr[5] = { 1, 3, 5, 7, 9 };
list<int> l4(arr, arr + 5);
list<int> l5(l4.begin(), l4.end());
int arr2[5] = { 2, 4, 6, 8, 10 };
list<int> l6(arr2, arr2 + 5);
l5.merge(l6);
for (auto &i : l5)
{
cout << i << ' ';
}
cout << l6.size();
return 0;
}
将两个有序list进行有序合并，并且l6合并之后为空，若需要保留l6的值，需要构造新链表并将l6的值拷入，否则将丢失l6的值。
int ltest2()
{
list<int> l1;
list<int> l2(4, 7);
list<int> l3 = l2;
int arr[5] = { 5, 2, 3, 1, 4 };
list<int> l4(arr, arr + 5);
list<int> l5(l4.begin(), l4.end());
l5.sort();
for (auto &i : l5)
{
cout << i << ' ';
}
return 0;
}
链表中的sort()函数，链表不能像数组一样进行快排，但链表有其指定的插排方式，由于其的特殊性，且同名algorithm库内的sort函数，故针对链表排序时尽量使用list成员里的sort() 函数。
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