一、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)

List原文档，我们可以去cplusplus网站去查看详情

cplusplus.com/reference/list/list/?kw=list

二、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。

2.1、List的构造函数

构造函数（ (constructor)）接口说明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()构造空的listlist (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

// list的构造
void TestList1()
{list<int> l1;                         // 构造空的l1list<int> l2(4, 100);                 // l2中放4个值为100的元素list<int> l3(l2.begin(), l2.end());  // 用l2的[begin(), end()）左闭右开的区间构造l3list<int> l4(l3);                    // 用l3拷贝构造l4// 以数组为迭代器区间构造l5int array[] = { 16,2,77,29 };list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));// 列表格式初始化C++11list<int> l6{ 1,2,3,4,5 };// 用迭代器方式打印l5中的元素list<int>::iterator it = l5.begin();while (it != l5.end()){cout << *it << " ";++it;}       cout << endl;// C++11范围for的方式遍历for (auto& e : l5)cout << e << " ";cout << endl;
}

2.2、List迭代器的使用

这里的迭代器我们可以理解为一个指针，是对指针进行了重命名为iterator,该指针指向List中的某个节点。

函数声明接口说明begin +end返回第一个元素的迭代器+返回最后一个元素下一个位置的迭代器rbegin +rend返回第一个元素的reverse_iterator,即end位置，返回最后一个元素下一个位置的
reverse_iterator,即begin位置

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

// list迭代器的使用
// 注意：遍历链表只能用迭代器和范围for
void PrintList(const list<int>& l)
{// 注意这里调用的是list的 begin() const，返回list的const_iterator对象for (list<int>::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it){cout << *it << " ";// *it = 10; 编译不通过}cout << endl;
}void TestList2()
{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// list<int>::iterator it = l.begin();   // C++98中语法auto it = l.begin();                     // C++11之后推荐写法while (it != l.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;// 使用反向迭代器逆向打印list中的元素// list<int>::reverse_iterator rit = l.rbegin();auto rit = l.rbegin();while (rit != l.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;
}

 2.3、List反向迭代器

反向迭代器的++就是正向迭代器的--，反向迭代器的--就是正向迭代器的++，因此反向迭
代器的实现可以借助正向迭代器，即：反向迭代器内部可以包含一个正向迭代器，对正向迭代器的接口进行包装即可。

template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{
// 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的类型，而不是静态成员变量
// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量
// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
public:typedef typename Iterator::Ref Ref;typedef typename Iterator::Ptr Ptr;typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
public:
//
// 构造ReverseListIterator(Iterator it): _it(it){}
//
// 具有指针类似行为Ref operator*(){Iterator temp(_it);--temp;return *temp;}Ptr operator->(){ return &(operator*());}
//
// 迭代器支持移动Self& operator++(){--_it;return *this;}Self operator++(int){Self temp(*this);--_it;return temp;}Self& operator--(){++_it;return *this;}Self operator--(int){Self temp(*this);++_it;return temp;}//
// 迭代器支持比较bool operator!=(const Self& l)const{ return _it != l._it;}bool operator==(const Self& l)const{ return _it != l._it;}Iterator _it;
};

 

2.4、List常用接口函数

函数声明接口说明empty检测list是否为空，是返回true，否则返回falsesize返回list中有效节点的个数 函数声明接口说明front返回list的第一个节点中值的引用back返回list的最后一个节点中值的引用 函数声明接口说明push_front在list首元素前插入值为val的元素pop_front删除list中第一个元素push_back在list尾部插入值为val的元素pop_back删除list中最后一个元素insert在list position 位置中插入值为val的元素erase删除list position位置的元素swap交换两个list中的元素clear清空list中的有效元素

List还有很多函数接口，需要的话可以去cplusplus.com/reference/list/list/?kw=list查看原文档

// list插入和删除
// push_back/pop_back/push_front/pop_front
void TestList3()
{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0L.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);
}// insert /erase 
void TestList4()
{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 TestList5()
{// 用数组来构造listint array1[] = { 1, 2, 3 };list<int> l1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));PrintList(l1);// 交换l1和l2中的元素list<int> l2;l1.swap(l2);PrintList(l1);PrintList(l2);// 将l2中的元素清空l2.clear();cout << l2.size() << endl;
}

三、迭代器失效问题

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，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);}
}

四、List模拟实现

#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>namespace LYL
{// List的节点类template<class T>struct ListNode{ListNode(const T& val = T()): _prev(nullptr), _next(nullptr), _val(val){}ListNode<T>* _prev;ListNode<T>* _next;T _val;};/*List 的迭代器迭代器有两种实现方式，具体应根据容器底层数据结构实现：1. 原生态指针，比如：vector2. 将原生态指针进行封装，因迭代器使用形式与指针完全相同，因此在自定义的类中必须实现以下方法：1. 指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()2. 指针可以通过->访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载oprator->()3. 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)至于operator--()/operator--(int)释放需要重载，根据具体的结构来抉择，双向链表可以向前             移动，所以需要重载，如果是forward_list就不需要重载--4. 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()*/template<class T, class Ref, class Ptr>class ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;// Ref 和 Ptr 类型需要重定义下，实现反向迭代器时需要用到public:typedef Ref Ref;typedef Ptr Ptr;public://// 构造ListIterator(Node* node = nullptr): _node(node){}//// 具有指针类似行为Ref operator*() { return _node->_val;}Ptr operator->() { return &(operator*()); }//// 迭代器支持移动Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self operator++(int){Self temp(*this);_node = _node->_next;return temp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}Self operator--(int){Self temp(*this);_node = _node->_prev;return temp;}//// 迭代器支持比较bool operator!=(const Self& l)const{ return _node != l._node;}bool operator==(const Self& l)const{ return _node != l._node;}Node* _node;};template<class Iterator>class ReverseListIterator{// 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的一个类型，而不是静态成员变量// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的public:typedef typename Iterator::Ref Ref;typedef typename Iterator::Ptr Ptr;typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;public://// 构造ReverseListIterator(Iterator it): _it(it){}//// 具有指针类似行为Ref operator*(){Iterator temp(_it);--temp;return *temp;}Ptr operator->(){return &(operator*());}//// 迭代器支持移动Self& operator++(){--_it;return *this;}Self operator++(int){Self temp(*this);--_it;return temp;}Self& operator--(){++_it;return *this;}Self operator--(int){Self temp(*this);++_it;return temp;}//// 迭代器支持比较bool operator!=(const Self& l)const{return _it != l._it;}bool operator==(const Self& l)const{return _it != l._it;}Iterator _it;};template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public:// 正向迭代器typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;// 反向迭代器typedef ReverseListIterator<iterator> reverse_iterator;typedef ReverseListIterator<const_iterator> const_reverse_iterator;public:///// List的构造list(){CreateHead();}list(int n, const T& value = T()){CreateHead();for (int i = 0; i < n; ++i)push_back(value);}template <class Iterator>list(Iterator first, Iterator last){CreateHead();while (first != last){push_back(*first);++first;}}list(const list<T>& l){CreateHead();// 用l中的元素构造临时的temp,然后与当前对象交换list<T> temp(l.begin(), l.end());this->swap(temp);}list<T>& operator=(list<T> l){this->swap(l);return *this;}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}///// List的迭代器iterator begin() { return iterator(_head->_next); }iterator end() { return iterator(_head); }const_iterator begin()const { return const_iterator(_head->_next); }const_iterator end()const{ return const_iterator(_head); }reverse_iterator rbegin(){return reverse_iterator(end());}reverse_iterator rend(){return reverse_iterator(begin());}const_reverse_iterator rbegin()const{return const_reverse_iterator(end());}const_reverse_iterator rend()const{return const_reverse_iterator(begin());}///// List的容量相关size_t size()const{Node* cur = _head->_next;size_t count = 0;while (cur != _head){count++;cur = cur->_next;}return count;}bool empty()const{return _head->_next == _head;}void resize(size_t newsize, const T& data = T()){size_t oldsize = size();if (newsize <= oldsize){// 有效元素个数减少到newsizewhile (newsize < oldsize){pop_back();oldsize--;}}else{while (oldsize < newsize){push_back(data);oldsize++;}}}// List的元素访问操作// 注意：List不支持operator[]T& front(){return _head->_next->_val;}const T& front()const{return _head->_next->_val;}T& back(){return _head->_prev->_val;}const T& back()const{return _head->_prev->_val;}// List的插入和删除void push_back(const T& val) { insert(end(), val); }void pop_back() { erase(--end()); }void push_front(const T& val) { insert(begin(), val); }void pop_front() { erase(begin()); }// 在pos位置前插入值为val的节点iterator insert(iterator pos, const T& val){Node* pNewNode = new Node(val);Node* pCur = pos._node;// 先将新节点插入pNewNode->_prev = pCur->_prev;pNewNode->_next = pCur;pNewNode->_prev->_next = pNewNode;pCur->_prev = pNewNode;return iterator(pNewNode);}// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置iterator erase(iterator pos){// 找到待删除的节点Node* pDel = pos._node;Node* pRet = pDel->_next;// 将该节点从链表中拆下来并删除pDel->_prev->_next = pDel->_next;pDel->_next->_prev = pDel->_prev;delete pDel;return iterator(pRet);}void clear(){Node* cur = _head->_next;// 采用头删除删除while (cur != _head){_head->_next = cur->_next;delete cur;cur = _head->_next;}_head->_next = _head->_prev = _head;}void swap(bite::list<T>& l){std::swap(_head, l._head);}private:void CreateHead(){_head = new Node;_head->_prev = _head;_head->_next = _head;}private:Node* _head;};
}

五、List与vector的对比

                              vector                     List底 层 结 构动态顺序表，一段连续空间带头结点的双向循环链表随 机 访 问支持随机访问，访问某个元素效率O(1)不支持随机访问，访问某个元素
效率O(N)插 入 和 删 除任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间复杂
度为O(N)，插入时有可能需要增容，增容：开辟新空
间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低任意位置插入和删除效率高，不
需要搬移元素，时间复杂度为
O(1)空 间 利 用 率底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利用率
高，缓存利用率高底层节点动态开辟，小节点容易
造成内存碎片，空间利用率低，
缓存利用率低迭 代 器原生态指针对原生态指针(节点指针)进行封装迭 代 器 失 效在插入元素时，要给所有的迭代器重新赋值，因为插入
元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，删
除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效插入元素不会导致迭代器失效，
删除元素时，只会导致当前迭代
器失效，其他迭代器不受影响使 用 场 景需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率大量插入和删除操作，不关心随
机访问