C++ list,STL list(双向链表)详解

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list 是顺序容器的一种。list 是一个双向链表。使用 list 需要包含头文件 list。双向链表的每个元素中都有一个指针指向后一个元素,也有一个指针指向前一个元素,如图1所示。

在 list 容器中,在已经定位到要增删元素的位置的情况下,增删元素能在常数时间内完成。如图2所示,在 ai 和 ai+1 之间插入一个元素,只需要修改 ai 和 ai+1 中的指针即可。


图1 :双向链表


图2:在双向链表中插入元素

list 容器不支持根据下标随机存取元素。

list 的构造函数和许多成员函数的用法都与 vector 类似,此处不再列举。除了顺序容器都有的成员函数外,list 容器还独有如表 1 所示的成员函数(此表不包含全部成员函数,且有些函数的参数较为复杂,表中只列出函数名)。

表1:list 的成员函数
成员函数或成员函数模板 作  用
void push_front(const T & val) 将 val 插入链表最前面
void pop_front() 删除链表最前面的元素
void sort() 将链表从小到大排序
void remove (const T & val) 删除和 val 相等的元素
remove_if 删除符合某种条件的元素
void unique() 删除所有和前一个元素相等的元素
void merge(list <T> & x) 将链表 x 合并进来并清空 x。要求链表自身和 x 都是有序的
void splice(iterator i, list <T> & x, iterator first, iterator last) 在位置 i 前面插入链表 x 中的区间 [first, last),并在链表 x 中删除该区间。链表自身和链表 x 可以是同一个链表,只要 i 不在 [first, last) 中即可

表1中列出的成员函数有些是重载的,如 unique、merge、splice 成员函数都不止一个, 这里不再一一列举并解释。后面对于其他容器以及算法的介绍,对于有重载的情况也不再指出。要详细了解 STL,还需要查阅专门的 STL 手册,或查看编译器提供的联机帮助。

STL 中的算法 sort 可以用来对 vector 和 deque 排序,它需要随机访问迭代器的支持。因为 list 不支持随机访问迭代器,所以不能用算法 sort 对 list 容器排序。因此,list 容器引入了 sort 成员函数以完成排序。

list 的示例程序如下:
#include <list>  //使用 list 需要包含此头文件
#include <iostream>
#include <algorithm>  //使用STL中的算法需要包含此头文件
using namespace std;
class A {
private: int n;
public:
    A(int n_) { n = n_; }
    friend bool operator < (const A & a1, const A & a2);
    friend bool operator == (const A & a1, const A & a2);
    friend ostream & operator << (ostream & o, const A & a);
};
bool operator < (const A & a1, const A & a2) {
    return a1.n < a2.n;
}
bool operator == (const A & a1, const A & a2) {
    return a1.n == a2.n;
}
ostream & operator << (ostream & o, const A & a) {
    o << a.n;
    return o;
}
template <class T>
void Print(T first, T last)
{
    for (; first != last; ++first)
        cout << *first << " ";
    cout << endl;
}
int main()
{
    A a[5] = { 1, 3, 2, 4, 2 };
    A b[7] = { 10, 30, 20, 30, 30, 40, 40 };
    list<A> lst1(a, a + 5), lst2(b, b + 7);
    lst1.sort();
    cout << "1)"; Print(lst1.begin(), lst1.end());  //输出:1)1 2 2 3 4
    lst1.remove(2);  //删除所有和A(2)相等的元素
    cout << "2)"; Print(lst1.begin(), lst1.end());  //输出:2)1 3 4
    lst2.pop_front();  //删除第一个元素
    cout << "3)"; Print(lst2.begin(), lst2.end());  //输出:3)30 20 30 30 40 40
    lst2.unique();  //删除所有和前一个元素相等的元素
    cout << "4)"; Print(lst2.begin(), lst2.end());  //输出:4)30 20 30 40
    lst2.sort();
    lst1.merge(lst2);  //合并 lst2 到 lst1 并清空 lst2
    cout << "5)"; Print(lst1.begin(), lst1.end());  //输出:5)1 3 4 20 30 30 40
    cout << "6)"; Print(lst2.begin(), lst2.end());  //lst2是空的,输出:6)
    lst1.reverse();  //将 lst1 前后颠倒

    cout << "7)"; Print(lst1.begin(), lst1.end());  //输出 7)40 30 30 20 4 3 1
    lst2.insert(lst2.begin(), a + 1, a + 4);  //在 lst2 中插入 3,2,4 三个元素
    list <A>::iterator p1, p2, p3;
    p1 = find(lst1.begin(), lst1.end(), 30);
    p2 = find(lst2.begin(), lst2.end(), 2);
    p3 = find(lst2.begin(), lst2.end(), 4);
    lst1.splice(p1, lst2, p2, p3);  //将[p2, p3)插入p1之前,并从 lst2 中删除[p2,p3)
    cout << "8)"; Print(lst1.begin(), lst1.end());  //输出:8)40 2 30 30 20 4 3 1
    cout << "9)"; Print(lst2.begin(), lst2.end());  //输出:9)3 4
    return 0;
}

【实例】用 list 解决约瑟夫问题。

约瑟夫问题是:有 n 只猴子,按顺时针方向围成一圈选大王(编号为 1~n),从第 1 号开始报数,一直数到 m,数到 m 的猴子退到圈外,剩下的猴子再接着从 1 开始报数。就这样,直到圈内只剩下一只猴子时,这个猴子就是猴王。编程求输入 n、m 后,输出最后猴王的编号。

输入数据:每行是用空格分开的两个整数,第一个是 n,第二个是 m(0<m, n<=1 000 000)。最后一行是:
0 0

输出要求:对于每行输入数据(最后一行除外),输出数据也是一行,即最后猴王的编号。

输入样例:
6 2
12 4
8 3
0 0

输出样例:
5
1
7

示例程序如下:
#include <list>
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    list<int> monkeys;
    int n, m;
    while (true) {
        cin >> n >> m;
        if (n == 0 && m == 0)
            break;
        monkeys.clear();  //清空list容器
        for (int i = 1; i <= n; ++i)  //将猴子的编号放入list
            monkeys.push_back(i);
        list<int>::iterator it = monkeys.begin();
        while (monkeys.size() > 1) { //只要还有不止一只猴子,就要找一只猴子让其出列
            for (int i = 1; i < m; ++i) { //报数
                ++it;
                if (it == monkeys.end())
                    it = monkeys.begin();
            }
            it = monkeys.erase(it); //删除元素后,迭代器失效,
                                    //要重新让迭代器指向被删元素的后面
            if (it == monkeys.end())
                it = monkeys.begin();
        }
        cout << monkeys.front() << endl; //front返回第一个元素的引用
    }
    return 0;
}
erase 成员函数返回被删除元素后面那个元素的迭代器。如果被删除的是最后一个元素,则返回 end()。

这个程序也可以用 vector 实现,但是执行速度要慢很多。因为 vector 的 erase 操作牵涉元素的移动,不能在常数时间内完成,所花费的时间和容器中的元素个数有关;而 list 的 erase 操作只是修改几个指针而已,可以在常数时间内完成。当 n 很大(数十万)时,两种写法在速度上会有明显区别。
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