C list
容器详解:从入门到精通
前言
C 标准模板库(STL)中的 list
容器是一个双向链表结构,它提供了高效的插入和删除操
作。与 vector
不同,list
中的元素不是连续存储的,因此可以在任何位置高效插入和删除元素,而无需移动其他元素。虽然它在随机访问方面不如 vector
高效,但在大量的插入和删除操作场景中具有不可替代的优势。
本文将通过详细的示例代码,从基础到进阶,逐步讲解如何使用 C 中的 list
容器,并探讨其特性与常用操作。
第一章:C list
容器简介
1.1 C STL 容器概述
C 提供了丰富的标准模板库 (STL),其中包括顺序容器(如 vector
、deque
)和关联容器(如 map
、set
)。list
是一种链表结构的顺序容器,它的底层实现是双向链表。这使得 list
在插入和删除操作上比 vector
更加高效,但由于不支持随机访问,因此访问特定位置的元素时效率较低。
1.2 list
的特点
- 双向链表:
list
底层是一个双向链表,能够高效地进行插入和删除操作。 - 不支持随机访问:由于链表的结构特点,
list
只能顺序访问,随机访问效率低下。 - 动态增长:
list
不需要预留空间,它会根据需要动态分配内存。
#include <list>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
for (int val : lst) {
cout << val << " ";
}
return 0;
}
第二章:list
的构造方法
2.1 常见构造函数
C
list
提供了多种构造函数,允许用户根据不同需求初始化链表。
构造函数 | 功能 |
---|---|
list() | 构造一个空的 list |
list(size_type n, const T& val) | 构造一个包含 n 个值为 val 的元素的 list |
list(const list& x) | 拷贝构造函数,构造与 x 相同的 list |
list(InputIterator first, InputIterator last) | 使用 [first, last) 区间内的元素构造 list |
2.1.1 示例:不同构造方法
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst1; // 空 list
list<int> lst2(5, 100); // 5个值为100的元素
list<int> lst3(lst2); // 拷贝构造
list<int> lst4 = {1, 2, 3, 4, 5}; // 初始化列表
for (int val : lst4) {
cout << val << " "; // 输出: 1 2 3 4 5
}
return 0;
}
2.1.2 相关文档
- C Reference: list constructor
第三章:list
迭代器的使用
list
支持多种迭代器类型,允许我们遍历、访问和修改链表中的元素。迭代器可以看作指向list
中节点的指针,遍历时可以用迭代器依次访问链表中的每一个节点。
3.1 常见迭代器
迭代器类型 | 功能 |
---|---|
begin() | 返回指向链表第一个元素的迭代器 |
end() | 返回指向链表末尾的迭代器 |
rbegin() | 返回指向链表最后一个元素的反向迭代器 |
rend() | 返回指向链表第一个元素之前的反向迭代器 |
cbegin() | 返回常量迭代器,不能修改元素 |
cend() | 返回常量迭代器,指向链表末尾 |
3.1.1 示例:使用正向和反向迭代器遍历 list
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
// 使用正向迭代器遍历
for (auto it = lst.begin(); it != lst.end(); it) {
cout << *it << " "; // 输出: 1 2 3 4 5
}
cout << endl;
// 使用反向迭代器遍历
for (auto rit = lst.rbegin(); rit != lst.rend(); rit) {
cout << *rit << " "; // 输出: 5 4 3 2 1
}
cout << endl;
return 0;
}
3.1.2 相关文档
- C Reference: list iterator
第四章:list
的容量与大小操作
4.1 容量管理接口
list
提供了常用的容量管理接口,方便用户操作链表的大小和判断链表状态。
方法名 | 功能描述 |
---|---|
empty() | 检测 list 是否为空 |
size() | 返回 list 中元素的数量 |
max_size() | 返回 list 可容纳的最大元素数 |
resize(n) | 调整 list 的大小为 n |
4.1.1 示例:容量操作
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
cout << "Size: " << lst.size() << endl; // 输出当前元素个数
cout << "Is empty: " << (lst.empty() ? "Yes" : "No") << endl; // 判断是否为空
lst.resize(3); // 调整大小为3,保留前3个元素
for (int val : lst) {
cout << val << " "; // 输出: 1 2 3
}
return 0;
}
4.1.2 相关文档
- C Reference: list size
第五章:list
的元素访问
5.1 元素访问方法
list
提供了几种常用的方法用于访问链表中的元素。
方法名 | 功能 |
---|---|
front() | 返回 list 的第一个元素 |
back() | 返回 list 的最后一个元素 |
5.1.1 示例:访问第一个与最后一个元素
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
cout << "First element: " << lst.front() << endl; // 访问第一个元素
cout << "Last element: " << lst.back() << endl; // 访问最后一个元素
return 0;
}
5.1.2 相关文档
- C Reference: list element access
第六章:list
的插入、删除与修改
6.1 插入操作
list
容器提供了多种插入操作,包括在前部、尾部插入元素,或在指定位置插入。与 vector
不同的是,list
插入时不需要移动其他元素,只修改指针,因此插入效率非常高。
方法名 | 功能描述 |
---|---|
push_front() | 在 list 的前部插入元素 |
push_back() | 在 list 的末尾插入元素 |
insert(position, val) | 在指定位置插入元素 |
6.1.1 示例:使用 push_back()
和 push_front()
插入元素
push_front()
和 push_back()
是将元素插入到链表前部和尾部的常用方法。由于 list
是双向链表,头部和尾部操作的效率都非常高,为 O(1)。
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 2, 3};
// 在前部插入元素
lst.push_front(0);
// 在末尾插入元素
lst.push_back(4);
for (int val : lst) {
cout << val << " "; // 输出: 0 1 2 3 4
}
return 0;
}
6.1.2 示例:使用 insert()
在指定位置插入元素
insert()
用于在链表中指定位置插入元素。该方法需要提供一个迭代器指向要插入的位置。
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 3, 4};
// 在第二个位置插入2
auto it = lst.begin();
it;
lst.insert(it, 2);
for (int val : lst) {
cout << val << " "; // 输出: 1 2 3 4
}
return 0;
}
6.1.3 插入元素的常见问题
- 迭代器失效:在
list
中进行插入操作时,插入不会使已有迭代器失效,因为list
是双向链表,插入时只修改指针。 - 尾部插入效率:在链表尾部插入元素的效率始终为 O(1),无需移动其他元素,这点不同于
vector
。 - 插入到特定位置的效率:虽然
insert()
操作本身是 O(1),但查找特定插入位置的时间复杂度是 O(n),这取决于你如何获取迭代器。
6.1.4 相关文档
- C Reference: list insertions
6.2 删除操作
list
提供了多种删除元素的方式,包括从前部和尾部删除,删除指定位置的元素,以及一次性清空整个链表。
方法名 | 功能描述 |
---|---|
pop_front() | 删除 list 的第一个元素 |
pop_back() | 删除 list 的最后一个元素 |
erase() | 删除指定位置的元素 |
clear() | 清空 list |
6.2.1 示例:删除 list
中的首尾元素
pop_front()
和 pop_back()
用于删除 list
中的第一个或最后一个元素。与插入操作类似,这两种操作的时间复杂度都是 O(1),不会影响其他元素的指针。
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
// 删除第一个元素
lst.pop_front();
// 删除最后一个元素
lst.pop_back();
for (int val : lst) {
cout << val << " "; // 输出: 2 3 4
}
return 0;
}
6.2.2 示例:删除指定位置的元素
erase()
用于删除指定位置的元素。它需要提供一个指向该位置的迭代器。
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
// 查找要删除的元素
auto it = lst.begin();
advance(it, 2); // 移动到第三个元素
// 删除第三个元素
lst.erase(it);
for (int val : lst) {
cout << val << " "; // 输出: 1 2 4 5
}
return 0;
}
6.2.3 示例:清空 list
clear()
是一种非常彻底的清除操作,它会删除 list
中的所有元素。值得注意的是,clear()
仅会删除有效节点,不会删除链表的头节点(即 list
对象本身)。
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
// 清空 list
lst.clear();
cout << "Size after clear: " << lst.size() << endl; // 输出: 0
cout << "Is list empty? " << (lst.empty() ? "Yes" : "No") << endl; // 输出: Yes
return 0;
}
6.2.4 删除操作的常见问题
- 迭代器失效:在
list
中,删除操作只会导致指向被删除元素的迭代器失效,其他迭代器不受影响。删除后如果需要继续使用迭代器,应该使用erase()
的返回值,指向下一个有效元素。 - clear() 是否删除头节点:
clear()
不会删除list
的头节点。调用clear()
后,list
对象依然存在,只是里面的所有元素被删除,list
的结构保持完好。
6.2.5 相关文档
- C Reference: list clear
- C Reference: list erase
- C Reference: list pop_back
6.3 修改操作
通过迭代器或者
list
提供的访问接口,用户可以直接修改链表中的元素。由于list
不支持随机访问,所以修改操作通常需要遍历元素。
方法名 | 功能描述 |
---|---|
front() | 返回 list 中第一个元素 |
back() | 返回 list 中最后一个元素 |
迭代器 | 通过迭代器访问修改元素 |
6.3.1 示例:修改 list
中的首尾元素
通过 front()
和 back()
,可以分别访问并修改 list
中的第一个和最后一个元素。修改操作的时间复杂度为 O(1)。
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
// 修改第一个元素
lst.front() = 10;
// 修改最后一个元素
lst.back() = 20;
for (int val : lst) {
cout << val << " "; // 输出: 10 2 3 4 20
}
return 0;
}
6.3.2 示例:通过迭代器修改 list
中的元素
由于 list
不支持随机访问,修改中间位置的元素需要通过迭代器遍历找到目标位置。
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
// 使用迭代器修改第三个元素
auto it = lst.begin();
advance(it, 2); // 移动到第三个元素
*it = 30;
for (int val : lst) {
cout << val << " "; // 输出: 1 2 30 4 5
}
return 0;
}
6.3.3 修改操作的常见问题
- 效率问题:由于
list
是链表结构,访问中间元素时无法像vector
一样通过下标随机访问,而是必须通过迭代器进行遍历,时间复杂度为 O(n)。 advance()
函数用于将迭代器向前或向后移动指定的距离,这是list
中最常用的访问与修改元素方式之一。由于list
不能通过下标随机访问,迭代器的使用显得尤为重要。- 避免无效访问:通过迭代器进行修改时,确保在修改过程中没有删除操作,否则迭代器可能失效,导致未定义行为。
第七章:list
的迭代器失效问题
list
的底层实现为双向链表,因此与vector
不同,list
的插入和删除操作不会导致整体迭代器失效。具体来说:
- 插入操作:不会导致现有迭代器失效。
- 删除操作:仅导致被删除元素的迭代器失效,其他迭代器不会受影响。
7.1 删除操作导致的迭代器失效
删除操作会使指向被删除元素的迭代器失效,如果在删除元素后继续使用失效的迭代器,将会导致程序的未定义行为。因此,在执行删除操作后,我们必须重新更新迭代器。
7.1.1 示例:删除元素时正确的迭代器处理
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
// 查找并删除元素3
auto it = lst.begin();
while (it != lst.end()) {
if (*it == 3) {
it = lst.erase(it); // 删除元素并获取下一个有效迭代器
} else {
it; // 继续遍历
}
}
for (int val : lst) {
cout << val << " "; // 输出: 1 2 4 5
}
return 0;
}
在上面的代码中,
erase()
函数会返回一个指向被删除元素之后的迭代器,因此我们使用该返回值继续遍历。这是一种常见的迭代器删除操作的最佳实践,可以避免迭代器失效问题。
7.1.2 错误示例:删除后不更新迭代器
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
auto it = lst.begin();
while (it != lst.end()) {
if (*it == 3) {
lst.erase(it); // 删除元素,但未更新迭代器
it; // 错误:it 已经失效,导致未定义行为
} else {
it;
}
}
return 0;
}
在这个错误的示例中,删除操作使 it
失效,但我们在下一个循环中继续使用了失效的 it
,这会导致未定义行为,可能会引发程序崩溃。
7.1.3 相关文档
- C Reference: list erase
第八章:list
常见的其他修改操作
8.1 splice()
操作
splice()
是list
特有的操作,它允许我们将一个list
中的元素直接拼接到另一个list
中,而不会重新分配内存或复制元素。该操作非常高效,因为它仅修改链表的指针。
方法名 | 功能描述 |
---|---|
splice(position, x) | 将 list x 的所有元素插入到当前 list 中 |
splice(position, x, it) | 将 list x 中的 it 指定的元素插入到当前 list 中 |
splice(position, x, first, last) | 将 x 中 [first, last) 区间的元素插入当前 list |
8.1.1 示例:使用 splice()
操作
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst1 = {1, 2, 3};
list<int> lst2 = {4, 5, 6};
// 将 lst2 的元素拼接到 lst1 的末尾
lst1.splice(lst1.end(), lst2);
for (int val : lst1) {
cout << val << " "; // 输出: 1 2 3 4 5 6
}
cout << "nList 2 size: " << lst2.size() << endl; // 输出: 0 (lst2 已被清空)
return 0;
}
splice()
可以高效地将一个链表中的元素移动到另一个链表中,它不会复制元素,也不会破坏链表的连续性。
8.1.2 相关文档
- C Reference: list splice
8.2 merge()
操作
merge()
函数用于将两个已经排序好的list
合并为一个有序的list
。它会自动按照升序或自定义的比较规则合并两个链表。
方法名 | 功能描述 |
---|---|
merge(list& x) | 将已排序的 x 合并到当前链表中 |
merge(list& x, Compare comp) | 使用自定义比较函数 comp 合并 x |
8.2.1 示例:使用 merge()
操作
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst1 = {1, 3, 5};
list<int> lst2 = {2, 4, 6};
// 合并两个已排序的链表
lst1.merge(lst2);
for (int val : lst1) {
cout << val << " "; // 输出: 1 2 3 4 5 6
}
return 0;
}
merge()
会将两个有序链表合并成一个新的有序链表,并且不会对原链表进行元素的复制,只是对链表节点进行了重新连接。
8.2.2 相关文档
- C Reference: list merge
第九章:list
的排序与去重
9.1 sort()
操作
list
提供了sort()
函数来对链表进行排序。由于list
不支持随机访问,因此它使用的排序算法是稳定的归并排序,性能为 O(N log N)。
方法名 | 功能描述 |
---|---|
sort() | 默认按照升序排序 |
sort(Compare comp) | 使用自定义比较函数 comp 进行排序 |
9.1.1 示例:对 list
进行排序
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {5, 2, 9, 1, 5, 6};
// 对链表进行排序
lst.sort();
for (int val : lst) {
cout << val << " "; // 输出: 1 2 5 5 6 9
}
return 0;
}
9.1.2 使用自定义比较函数排序
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
bool customCompare(int a, int b) {
return a > b; // 降序比较
}
int main() {
list<int> lst = {5, 2, 9, 1, 5, 6};
// 使用自定义比较函数进行降序排序
lst.sort(customCompare);
for (int val : lst) {
cout << val << " "; // 输出: 9 6 5 5 2 1
}
return 0;
}
9.2 unique()
操作
unique()
函数用于去除链表中相邻的重复元素。它会比较相邻的两个元素,如果它们相等,则删除后一个元素。
方法名 | 功能描述 |
---|---|
unique() | 移除相邻的重复元素 |
unique(BinaryPredicate p) | 使用自定义的比较规则 p 移除相邻的元素 |
9.2.1 示例:使用 unique()
去重
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 1, 2, 3, 3, 4, 5, 5};
// 去除相邻的重复元素
lst.unique();
for (int val : lst) {
cout << val << " "; // 输出: 1 2 3 4 5
}
return 0;
}
9.2.2 使用自定义规则去重
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
bool customEqual(int a, int b) {
return a % 2 == b % 2; // 自定义规则:移除相邻的偶数/奇数
}
int main() {
list<int> lst = {1, 3, 2, 4, 5, 6};
// 使用自定义规则去重
lst.unique(customEqual);
for (int val : lst) {
cout << val << " "; // 输出: 1 2 5
}
return 0;
}
第十章:list
的其他操作
10.1 reverse()
操作
reverse()
函数用于将list
的顺序进行反转。该操作不会创建新的链表,而是直接修改现有链表的链接顺序。
方法名 | 功能描述 |
---|---|
reverse() | 将 list 中的元素顺序反转 |
10.1.1 示例:反转 list
中的元素
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
// 反转 list 中的元素
lst.reverse();
for (int val : lst) {
cout << val << " "; // 输出: 5 4 3 2 1
}
return 0;
}
通过 reverse()
函数,原本顺序存储的元素将被反转,链表中的第一个元素变为最后一个,最后一个变为第一个。
10.1.2 相关文档
- C Reference: list reverse
10.2 swap()
操作
swap()
函数用于交换两个list
容器的内容。这个操作非常高效,因为list
只交换内部的指针和相关数据,而不会实际移动或复制元素。
方法名 | 功能描述 |
---|---|
swap(list& x) | 交换当前 list 与 x 中的元素 |
10.2.1 示例:交换两个 list
的内容
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst1 = {1, 2, 3};
list<int> lst2 = {4, 5, 6};
// 交换两个 list
lst1.swap(lst2);
cout << "List 1: ";
for (int val : lst1) {
cout << val << " "; // 输出: 4 5 6
}
cout << "nList 2: ";
for (int val : lst2) {
cout << val << " "; // 输出: 1 2 3
}
return 0;
}
swap()
是一种非常高效的操作,尤其是在需要大量数据交换时,可以避免拷贝开销。
11.2.2 相关文档
- C Reference: list swap
10.3 remove()
操作
remove()
函数用于从list
中移除所有与指定值相等的元素。它会遍历整个链表,删除所有匹配的元素。
方法名 | 功能描述 |
---|---|
remove(const T& val) | 删除所有与 val 相等的元素 |
10.3.1 示例:移除指定值的元素
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
int main() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 2, 5};
// 移除值为2的所有元素
lst.remove(2);
for (int val : lst) {
cout << val << " "; // 输出: 1 3 4 5
}
return 0;
}
remove()
函数会移除链表中所有等于指定值的元素。由于链表是双向的,这种操作不会导致大量的数据移动,只是修改指针指向。
10.3.2 相关文档
- C Reference: list remove
10.4 remove_if()
操作
remove_if()
函数根据给定的条件(谓词)移除链表中符合条件的所有元素。与remove()
不同,它可以使用自定义的判断规则来删除元素。
方法名 | 功能描述 |
---|---|
remove_if(UnaryPredicate p) | 移除所有满足谓词 p 条件的元素 |
10.4.1 示例:使用 remove_if()
删除符合条件的元素
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
// 判断条件:删除所有偶数
bool isEven(int n) {
return n % 2 == 0;
}
int main() {
list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
// 删除所有偶数元素
lst.remove_if(isEven);
for (int val : lst) {
cout << val << " "; // 输出: 1 3 5
}
return 0;
}
在这个例子中,remove_if()
根据自定义的谓词函数 isEven()
删除了链表中所有的偶数元素。
10.4.2 相关文档
- C Reference: list remove_if
10.5 emplace()
和 emplace_back()
操作
emplace()
和emplace_back()
是list
提供的构造元素的方法,它们允许我们直接在链表中构造元素,避免不必要的复制操作。相比push_back()
,emplace_back()
更加高效,尤其是在插入复杂对象时。
方法名 | 功能描述 |
---|---|
emplace(position, args...) | 在指定位置直接构造元素 |
emplace_back(args...) | 在链表末尾直接构造元素,避免复制构造开销 |
10.5.1 示例:使用 emplace()
和 emplace_back()
代码语言:javascript复制#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
struct Point {
int x, y;
Point(int a, int b) : x(a), y(b) {}
};
int main() {
list<Point> points;
// 在 list 中直接构造元素
points.emplace_back(1, 2); // 在末尾构造元素 (1, 2)
points.emplace(points.begin(), 3, 4); // 在起始位置构造元素 (3, 4)
for (const auto& pt : points) {
cout << "(" << pt.x << ", " << pt.y << ") "; // 输出: (3, 4) (1, 2)
}
return 0;
}
emplace()
和 emplace_back()
提供了更灵活和高效的插入方式,尤其在处理复杂对象时可以减少额外的构造和复制操作。
10.5.2 相关文档
- C Reference: list emplace
第十一章:list
的内存管理
11.1 shrink_to_fit()
操作
list
不像vector
那样需要经常处理容量管理和扩容问题,因为它的底层实现是链表,元素的插入和删除并不会影响容器的容量分配。但 STL 容器通常提供shrink_to_fit()
函数来缩减不必要的内存开销,而list
没有此函数,因为链表结构本身并不涉及到多余的容量分配问题。
写在最后
本文详尽介绍了 C STL 中 list
容器的各类操作。我们从基本的构造、元素访问、容量管理,到迭代器、修改操作、排序与去重等高级功能,深入讲解了如何使用 list
实现高效的插入、删除和操作。同时我们也讨论了 list
特有的操作如 splice()
、merge()
、remove()
等。
在 C 中,list
作为双向链表,非常适合频繁插入和删除元素的场景,但它不支持随机访问,这与 vector
的应用场景有所不同。在实际开发中,可以根据需要选择合适的容器来优化性能和提高程序的可读性。
以上就是关于【C 篇】深度剖析C STL:玩转 list 容器,解锁高效编程的秘密武器的内容啦,各位大佬有什么问题欢迎在评论区指正,或者私信我也是可以的啦,您的支持是我创作的最大动力!❤️