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C++ STL forward_list容器完全攻略

forward_list 是 C++ 11 新添加的一类容器,其底层实现和 list 容器一样,采用的也是链表结构,只不过 forward_list 使用的是单链表,而 list 使用的是双向链表(如图 1 所示)。

单链表和双向链表
图 1 单链表( a) )和双向链表( b) )

图 1 中,H 表示链表的表头。

通过图 1 不难看出,使用链表存储数据最大的特点在于,其并不会将数据进行集中存储(向数组那样),换句话说,链表中数据的存储位置是分散的、随机的,整个链表中数据的线性关系通过指针来维持。

因此,forward_list 容器具有和 list 容器相同的特性,即擅长在序列的任何位置进行插入元素或删除元素的操作,但对于访问存储的元素,没有其它容器(如 array、vector)的效率高。

另外,由于单链表没有双向链表那样灵活,因此相比 list 容器,forward_list 容器的功能受到了很多限制。比如,由于单链表只能从前向后遍历,而不支持反向遍历,因此 forward_list 容器只提供前向迭代器,而不是双向迭代器。这意味着,forward_list 容器不具有 rbegin()、rend() 之类的成员函数。

有关迭代器的具体分类以及各种迭代器的具体功能,可以阅读《C++ STL迭代器》一节。


那么,既然 forward_list 容器具有和 list 容器相同的特性,list 容器还可以提供更多的功能函数,forward_list 容器有什么存在的必要呢?

当然有,forward_list 容器底层使用单链表,也不是一无是处。比如,存储相同个数的同类型元素,单链表耗用的内存空间更少,空间利用率更高,并且对于实现某些操作单链表的执行效率也更高。

效率高是选用 forward_list 而弃用 list 容器最主要的原因,换句话说,只要是 list 容器和 forward_list 容器都能实现的操作,应优先选择 forward_list 容器。

forward_list容器的创建

由于 forward_list 容器以模板类 forward_list<T>(T 为存储元素的类型)的形式被包含在<forward_list>头文件中,并定义在 std 命名空间中。因此,在使用该容器之前,代码中需包含下面两行代码:
#include <forward_list>
using namespace std;

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

创建 forward_list 容器的方式,大致分为以下 5 种。

1) 创建一个没有任何元素的空 forward_list 容器:
std::forward_list<int> values;
由于 forward_list 容器在创建后也可以添加元素,因此这种创建方式很常见。

2) 创建一个包含 n 个元素的 forward_list 容器:
std::forward_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 forward_list 容器,并为每个元素指定初始值。例如:
std::forward_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 forward_list 容器的情况下,通过拷贝该容器可以创建新的 forward_list 容器。例如:
std::forward_list<int> value1(10);
std::forward_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 forward_list 容器。例如:
//拷贝普通数组,创建forward_list容器
int a[] = { 1,2,3,4,5 };
std::forward_list<int> values(a, a+5);
//拷贝其它类型的容器,创建forward_list容器
std::array<int, 5>arr{ 11,12,13,14,15 };
std::forward_list<int>values(arr.begin()+2, arr.end());//拷贝arr容器中的{13,14,15}

forward_list容器支持的成员函数

表 2 中罗列出了 forward_list 模板类提供的所有成员函数以及各自的功能。

表 2 forward_list 容器可用的成员函数
成员函数 功能
before_begin() 返回一个前向迭代器,其指向容器中第一个元素之前的位置。
begin() 返回一个前向迭代器,其指向容器中第一个元素的位置。
end() 返回一个前向迭代器,其指向容器中最后一个元素之后的位置。
cbefore_begin() 和 before_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。
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。
empty() 判断容器中是否有元素,若无元素,则返回 true;反之,返回 false。
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。
assign() 用新元素替换容器中原有内容。
push_front() 在容器头部插入一个元素。
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。
pop_front() 删除容器头部的一个元素。
emplace_after() 在指定位置之后插入一个新元素,并返回一个指向新元素的迭代器。和 insert_after() 的功能相同,但效率更高。
insert_after() 在指定位置之后插入一个新元素,并返回一个指向新元素的迭代器。
erase_after() 删除容器中某个指定位置或区域内的所有元素。
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_after() 将某个 forward_list 容器中指定位置或区域内的元素插入到另一个容器的指定位置之后。
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 forward_list 容器,并且合并之后的 forward_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 forward_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)。

forward_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 forward_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。

下面的样例演示了表 2 中部分成员函数的用法:
#include <iostream>
#include <forward_list>
using namespace std;

int main()
{
    std::forward_list<int> values{1,2,3};
    values.emplace_front(4);//{4,1,2,3}
    values.emplace_after(values.before_begin(), 5); //{5,4,1,2,3}
    values.reverse();//{3,2,1,4,5}

    for (auto it = values.begin(); it != values.end(); ++it) {
        cout << *it << " ";
    }
    return 0;
}
运行结果为:

3 2 1 4 5

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。

和使用forward_list容器相关的函数

通过表 2 我们知道,forward_list 容器中是不提供 size() 函数的,但如果想要获取 forward_list 容器中存储元素的个数,可以使用头文件 <iterator> 中的 distance() 函数。举个例子:
#include <iostream>
#include <forward_list>
#include <iterator>
using namespace std;

int main()
{
    std::forward_list<int> my_words{1,2,3,4};
    int count = std::distance(std::begin(my_words), std::end(my_words));
    cout << count;
    return 0;
}
运行结果为:

4


并且,forward_list 容器迭代器的移动除了使用 ++ 运算符单步移动,还能使用 advance() 函数,比如:
#include <iostream>
#include <forward_list>
using namespace std;

int main()
{
    std::forward_list<int> values{1,2,3,4};
    auto it = values.begin();
    advance(it, 2);
    while (it!=values.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    return 0;
}
运行结果为:

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