C++之STL--list

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list

在 C++ 标准模板库（STL）中，std::list 是一个非常灵活且强大的双向链表容器。它提供了高效的插入和删除操作，非常适合需要频繁动态调整元素的场景。

一、std::list 的构造方法

std::list 提供了多种构造方法，以满足不同的初始化需求：

1. 默认构造

std::list<int> myList;

这会创建一个空的 std::list，不包含任何元素。

2. 指定大小构造

std::list<int> myList(5); // 创建一个包含 5 个默认初始化为 0 的 int 元素的 list

你可以指定初始大小，并且可以为元素提供默认值：

std::list<int> myList(5, 10); // 创建一个包含 5 个值为 10 的 int 元素的 list

3. 从其他容器构造

你可以使用另一个容器的内容来初始化 std::list：

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
std::list<int> myList(vec.begin(), vec.end()); // 从 vector 的内容构造 list

4. 使用初始化列表构造

std::list<int> myList = {1, 2, 3, 4, 5};

这种方式简洁明了，非常适合快速初始化。

二、std::list 的迭代器

std::list 是一个双向链表，因此它提供的是双向迭代器。这意味着你可以通过迭代器向前或向后遍历列表。

1. 迭代器的获取

std::list<int>::iterator it = myList.begin(); // 获取指向第一个元素的迭代器
std::list<int>::iterator end = myList.end(); // 获取指向最后一个元素之后的迭代器

begin() 和 end() 分别返回指向第一个元素和最后一个元素之后的迭代器。

2. 迭代器的使用

你可以通过迭代器访问和修改元素：

for (std::list<int>::iterator it = myList.begin(); it != myList.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " "; // 访问元素
    *it = *it * 2; // 修改元素
}

3. 常量迭代器

如果你只需要读取元素，而不需要修改它们，可以使用常量迭代器：

for (std::list<int>::const_iterator cit = myList.cbegin(); cit != myList.cend(); ++cit) {
    std::cout << *cit << " ";
}

三、std::list 的容量

std::list 是一个动态容器，其容量会根据元素的添加和删除自动调整。不过，它也提供了一些方法来管理容量：

1. 检查是否为空

if (myList.empty()) {
    std::cout << "List is empty." << std::endl;
}

empty() 方法返回一个布尔值，表示列表是否为空。

2. 获取元素数量

std::cout << "Number of elements: " << myList.size() << std::endl;

size() 方法返回列表中元素的数量。

3. 清空列表

myList.clear();

clear() 方法会移除列表中的所有元素，但不会释放内存。

四、std::list 的元素访问

由于 std::list 是一个链表结构，它不支持随机访问，因此没有像数组或 std::vector 那样的下标操作符 []。不过，你可以通过迭代器来访问元素：

std::list<int>::iterator it = myList.begin();
std::cout << *it << std::endl; // 访问第一个元素

如果你需要频繁访问特定位置的元素，建议使用其他容器（如 std::vector）。

五、std::list 的元素修改

std::list 提供了多种方法来添加、删除和修改元素：

1. 添加元素

在头部添加元素

myList.push_front(10);

在尾部添加元素

myList.push_back(20);

在指定位置插入元素

std::list<int>::iterator it = myList.begin();
myList.insert(it, 15); // 在第一个元素之前插入 15

2. 删除元素

删除头部元素

myList.pop_front();

删除尾部元素

myList.pop_back();

删除指定位置的元素

std::list<int>::iterator it = myList.begin();
myList.erase(it); // 删除第一个元素

3. 修改元素

你可以通过迭代器直接修改元素：

std::list<int>::iterator it = myList.begin();
*it = 100; // 修改第一个元素的值

六、std::list 的迭代器失效问题

在使用 std::list 时，迭代器失效是一个需要注意的问题。迭代器失效是指迭代器不再指向有效的元素，这通常发生在对容器进行修改操作时。

1. 何时迭代器会失效

插入操作：在 std::list 中插入元素不会使任何迭代器失效。这是因为 std::list 是一个双向链表，插入操作不会影响已有的元素位置。

删除操作：当你删除一个元素时，指向该元素的迭代器会失效。例如：

std::list<int>::iterator it = myList.begin();
myList.erase(it); // it 现在失效

如果你需要继续使用迭代器，应该在删除操作后获取新的迭代器：

std::list<int>::iterator it = myList.begin();
it = myList.erase(it); // it 现在指向下一个有效元素

2. 如何避免迭代器失效

• 在删除元素时，及时更新迭代器：如上例所示，erase() 方法会返回指向下一个有效元素的迭代器。
• 避免在循环中直接删除元素：如果你需要在循环中删除多个元素，建议使用 remove_if() 或 remove() 方法，或者使用一个临时迭代器来管理删除操作。

std::list 与 std::vector 的对比

一、数据结构

1. std::list：双向链表

std::list 是一个双向链表结构。每个元素通过指针（或引用）与前一个元素和后一个元素相连。链表结构使得 std::list 在插入和删除操作上非常高效，但不支持随机访问。

2. std::vector：动态数组

std::vector 是一个动态数组结构。它在内存中以连续的方式存储元素，支持快速的随机访问，但在插入和删除操作（尤其是非尾部操作）上可能效率较低。

二、内存分配

1. std::list

• 内存分配：std::list 的每个元素单独分配内存，因此内存分配较为分散。
• 内存开销：每个元素除了存储数据外，还需要额外的空间来存储指针（或引用），用于连接前后元素。因此，std::list 的内存开销相对较大。
• CPU高速缓存命中率低

2. std::vector

• 内存分配：std::vector 的内存是连续分配的。它会根据需要动态调整内存大小，但每次调整可能会涉及内存复制。
• 内存开销：std::vector 的内存开销相对较小，因为它只需要存储元素本身，而不需要额外的指针。
• CPU高速缓存命中率高

三、插入和删除操作

1. std::list

• 插入操作：
  • 时间复杂度：O(1)，插入操作只需要更新前后元素的指针。
  • 适用场景：适合在任意位置频繁插入元素。
• 删除操作：
  • 时间复杂度：O(1)，删除操作只需要更新前后元素的指针。
  • 适用场景：适合在任意位置频繁删除元素。

2. std::vector

• 插入操作：
  • 时间复杂度：O(n)，插入操作可能需要移动插入点之后的所有元素。
  • 适用场景：适合在尾部插入元素，因为尾部插入的时间复杂度为 O(1)。
• 删除操作：
  • 时间复杂度：O(n)，删除操作可能需要移动删除点之后的所有元素。
  • 适用场景：适合在尾部删除元素，因为尾部删除的时间复杂度为 O(1)。

四、随机访问

1. std::list

• 随机访问：不支持随机访问，只能通过迭代器逐个遍历元素。
• 适用场景：适合不需要随机访问的场景。

2. std::vector

• 随机访问：支持快速随机访问，通过下标可以直接访问任意位置的元素。
• 适用场景：适合需要频繁随机访问元素的场景。

五、迭代器

1. std::list

• 迭代器类型：双向迭代器，支持向前和向后遍历。
• 迭代器失效：插入操作不会使迭代器失效，但删除操作会使指向被删除元素的迭代器失效。

2. std::vector

• 迭代器类型：随机访问迭代器，支持随机访问。
• 迭代器失效：插入或删除操作会使所有指向被修改区域的迭代器失效。

六、性能对比

1. 时间复杂度

2. 内存使用

• std::list：内存使用较为分散，每个元素需要额外的指针空间。
• std::vector：内存使用较为紧凑，但可能需要预留额外空间以支持动态扩展。

七、适用场景

1. std::list 适用场景

• 需要在任意位置频繁插入和删除元素。
• 不需要随机访问元素。
• 对内存使用分散性不敏感。

2. std::vector 适用场景

• 需要频繁随机访问元素。
• 主要在尾部插入和删除元素。
• 对内存使用紧凑性有要求。