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C++ list(STL list)容器完全攻略(超级详细)

STL list 容器,又称双向链表容器,即该容器的底层是以双向链表的形式实现的。这意味着,list 容器中的元素可以分散存储在内存空间里,而不是必须存储在一整块连续的内存空间中。

图 1 展示了 list 双向链表容器是如何存储元素的。


图 1 list 双向链表容器的存储结构示意图

可以看到,list 容器中各个元素的前后顺序是靠指针来维系的,每个元素都配备了 2 个指针,分别指向它的前一个元素和后一个元素。其中第一个元素的前向指针总为 null,因为它前面没有元素;同样,尾部元素的后向指针也总为 null。

基于这样的存储结构,list 容器具有一些其它容器(array、vector 和 deque)所不具备的优势,即它可以在序列已知的任何位置快速插入或删除元素(时间复杂度为O(1))。并且在 list 容器中移动元素,也比其它容器的效率高。

使用 list 容器的缺点是,它不能像 array 和 vector 那样,通过位置直接访问元素。举个例子,如果要访问 list 容器中的第 6 个元素,它不支持容器对象名[6]这种语法格式,正确的做法是从容器中第一个元素或最后一个元素开始遍历容器,直到找到该位置。

实际场景中,如何需要对序列进行大量添加或删除元素的操作,而直接访问元素的需求却很少,这种情况建议使用 list 容器存储序列。

list 容器以模板类 list<T>(T 为存储元素的类型)的形式在<list>头文件中,并位于 std 命名空间中。因此,在使用该容器之前,代码中需要包含下面两行代码:
#include <list>
using namespace std;

注意,std 命名空间也可以在使用 list 容器时额外注明,两种方式都可以。

list容器的创建

根据不同的使用场景,有以下 5 种创建 list 容器的方式供选择。

1) 创建一个没有任何元素的空 list 容器:
std::list<int> values;
和空 array 容器不同,空的 list 容器在创建之后仍可以添加元素,因此创建 list 容器的方式很常用。

2) 创建一个包含 n 个元素的 list 容器:
std::list<int> values(10);
通过此方式创建 values 容器,其中包含 10 个元素,每个元素的值都为相应类型的默认值(int类型的默认值为 0)。

3) 创建一个包含 n 个元素的 list 容器,并为每个元素指定初始值。例如:
std::list<int> values(10, 5);
如此就创建了一个包含 10 个元素并且值都为 5 个 values 容器。

4) 在已有 list 容器的情况下,通过拷贝该容器可以创建新的 list 容器。例如:
std::list<int> value1(10);
std::list<int> value2(value1);
注意,采用此方式,必须保证新旧容器存储的元素类型一致。

5) 通过拷贝其他类型容器(或者普通数组)中指定区域内的元素,可以创建新的 list 容器。例如:
//拷贝普通数组,创建list容器
int a[] = { 1,2,3,4,5 };
std::list<int> values(a, a+5);

//拷贝其它类型的容器,创建 list 容器
std::array<int, 5>arr{ 11,12,13,14,15 };
std::list<int>values(arr.begin()+2, arr.end());//拷贝arr容器中的{13,14,15}

list容器可用的成员函数

表 2 中罗列出了 list 模板类提供的所有成员函数以及各自的功能。

表 2 list 容器可用的成员函数
成员函数 功能
begin() 返回指向容器中第一个元素的双向迭代器。
end() 返回指向容器中最后一个元素所在位置的下一个位置的双向迭代器。
rbegin() 返回指向最后一个元素的反向双向迭代器。
rend() 返回指向第一个元素所在位置前一个位置的反向双向迭代器。
cbegin() 和 begin() 功能相同,只不过在其基础上,增加了 const 属性,不能用于修改元素。
cend() 和 end() 功能相同,只不过在其基础上,增加了 const 属性,不能用于修改元素。
crbegin()  和 rbegin() 功能相同,只不过在其基础上,增加了 const 属性,不能用于修改元素。
crend() 和 rend() 功能相同,只不过在其基础上,增加了 const 属性,不能用于修改元素。
empty() 判断容器中是否有元素,若无元素,则返回 true;反之,返回 false。
size() 返回当前容器实际包含的元素个数。
max_size() 返回容器所能包含元素个数的最大值。这通常是一个很大的值,一般是 232-1,所以我们很少会用到这个函数。
front() 返回第一个元素的引用。
back() 返回最后一个元素的引用。
assign() 用新元素替换容器中原有内容。
emplace_front() 在容器头部生成一个元素。该函数和 push_front() 的功能相同,但效率更高。
push_front() 在容器头部插入一个元素。
pop_front() 删除容器头部的一个元素。
emplace_back() 在容器尾部直接生成一个元素。该函数和 push_back() 的功能相同,但效率更高。
push_back() 在容器尾部插入一个元素。
pop_back() 删除容器尾部的一个元素。
emplace() 在容器中的指定位置插入元素。该函数和 insert() 功能相同,但效率更高。
insert()  在容器中的指定位置插入元素。
erase() 删除容器中一个或某区域内的元素。
swap() 交换两个容器中的元素,必须保证这两个容器中存储的元素类型是相同的。
resize() 调整容器的大小。
clear() 删除容器存储的所有元素。
splice() 将一个 list 容器中的元素插入到另一个容器的指定位置。
remove(val) 删除容器中所有等于 val 的元素。
remove_if() 删除容器中满足条件的元素。
unique() 删除容器中相邻的重复元素,只保留一个。
merge() 合并两个事先已排好序的 list 容器,并且合并之后的 list 容器依然是有序的。
sort() 通过更改容器中元素的位置,将它们进行排序。
reverse() 反转容器中元素的顺序。
 
除此之外,C++ 11 标准库还新增加了 begin() 和 end() 这 2 个函数,和 list 容器包含的 begin() 和 end() 成员函数不同,标准库提供的这 2 个函数的操作对象,既可以是容器,还可以是普通数组。当操作对象是容器时,它和容器包含的 begin() 和 end() 成员函数的功能完全相同;如果操作对象是普通数组,则 begin() 函数返回的是指向数组第一个元素的指针,同样 end() 返回指向数组中最后一个元素之后一个位置的指针(注意不是最后一个元素)。

list 容器还有一个std::swap(x , y)非成员函数(其中 x 和 y 是存储相同类型元素的 list 容器),它和 swap() 成员函数的功能完全相同,仅使用语法上有差异。

如下代码演示了表 2 中部分成员函数的用法:
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;

int main()
{
    //创建空的 list 容器
    std::list<double> values;
    //向容器中添加元素
    values.push_back(3.1);
    values.push_back(2.2);
    values.push_back(2.9);
    cout << "values size:" << values.size() << endl;
    //对容器中的元素进行排序
    values.sort();
    //使用迭代器输出list容器中的元素
    for (std::list<double>::iterator it = values.begin(); it != values.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    return 0;
}
运行结果为:

values size:3
2.2 2.9 3.1

表 2 中这些成员函数的具体用法,后续学习用到时会具体讲解,感兴趣的读者,也可以通过查阅 STL手册做详细了解。

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