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【c++丨STL】list的使用

25 人参与  2024年12月03日 16:01  分类 : 《随便一记》  评论

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??作者主页:ephemerals__
??所属专栏:C++、STL

目录

前言

list简介

一、list的默认成员函数

构造函数(constructor)

析构函数

赋值重载

二、list的迭代器接口

迭代器的功能分类

三、list的容量接口

empty

size

四、list的元素访问接口

front和back

五、list的增删查改

push_front

pop_front

push_back

pop_back

insert和erase

swap

resize

clear

find

六、list的其他操作接口

splice

remove

remove_if

unique

merge

sort

reverse

总结


前言

        之前我们已经学习了string、vector两个容器的使用方法及模拟实现,今天跟大家介绍list的使用方法。

        到了这个阶段,我们应该认识到:在STL中,尽管容器各异,但同名接口的功能往往是相似的。因此,在我们掌握了少数几个容器的使用方法后,对于未曾接触过的其他容器,只要了解其底层数据结构,就基本能够上手使用它们。

list简介

        list是STL中的一种容器,用于表示链表结构,底层实现是一个双向带头循环链表。如果你对双向带头循环链表不太了解,可以参阅这篇文章:

【数据结构】双向带头循环链表(c语言)(附源码)_c语言双向环链表初始化-CSDN博客

list在插入和删除操作方面非常高效,但在遍历和随机访问方面可能不如数组或者vector高效。因此,在选择容器时,需要根据具体的应用场景和需求进行权衡。

我们在使用list时,需要引头文件<list>,并且该容器定义在命名空间std当中。

list相关接口查阅:

list - C++ Reference

一、list的默认成员函数

        list显示实现的默认成员函数有三个:分别是构造函数、析构函数和赋值重载。 

构造函数(constructor)

c++11下,list共有六个构造函数,其中较为常用的有如下五种:

函数原型功能说明
list();无参构造(忽略空间配置器),创建一个空链表
list(size_type n, const value_type& val);用n个val值构造一个list对象
list(const list& x);拷贝构造,用一个对象构造另一个对象
list(InputIterator first,InputIterator last);迭代器区间构造
list(initializer_list<value_type> il);初始化器构造(大括号赋值)

代码示例:

#include <iostream>#include <list>using namespace std;void print(list<int>& l){for (auto& e : l){cout << e << ' ';}cout << endl;}int main(){list<int> l1;//无参构造list<int> l2(5, 3);//n个val值构造list<int> l3(l2);//拷贝构造list<int> l4(l2.begin(), l2.end());//迭代器区间构造list<int> l5({ 1,2,3,4,5 });//初始化器构造cout << "l1: ";print(l1);cout << "l2: ";print(l2);cout << "l3: ";print(l3);cout << "l4: ";print(l4);cout << "l5: ";print(l5);return 0;}

析构函数

释放动态分配的内存空间,在对象声明周期结束时自动调用。

赋值重载

将新内容分配给已经存在的容器,替换其当前内容,并相应地修改其大小。较为常用的赋值重载有两个:

函数原型功能说明
list& operator= (const list& x);两个list容器之间的赋值
list& operator= (initializer_list<value_type> il);用初始化器给容器赋值

代码示例:

#include <iostream>#include <list>using namespace std;void print(list<int>& l){for (auto& e : l){cout << e << ' ';}cout << endl;}int main(){list<int> l1;list<int> l2({ 1,2,3,4,5 });l1 = l2;//将l2赋值给l1print(l1);l1 = { 5,4,3,2,1 };//初始化器赋值print(l1);return 0;}

二、list的迭代器接口

迭代器接口在string和vector中的使用方法大致相同,这里就不多介绍。

由于list元素的内存地址是不连续的,因此在迭代器的实现上,它与vector和string存在较大差异。我们将在list模拟实现的部分中对此进行深入探讨。

我们在这里重点讲一下迭代器的功能分类

迭代器的功能分类

根据功能强弱,迭代器可以分为以下三种:

1. 单向迭代器:它仅支持在容器中进行从头到尾的遍历操作,重载了“++”运算符。

2. 双向迭代器:它支持从头到尾的遍历和从尾到头的遍历,重载了“++”和“--”运算符。

3. 随机迭代器:顾名思义,它不仅支持双向的遍历,还支持随机位置的访问,重载了“++”“--”“+”“-”等运算符。

这三种迭代器的功能是向下兼容的,即随机迭代器具有双向迭代器的功能,而双向迭代器具有单向迭代器的功能

为什么会有这样的分类呢?其实这是由底层数据结构的实现导致的。

        有些数据结构元素的内存地址连续,还能够支持双向遍历,并且遍历效率高,那么就可以支持随机迭代器(例如string、vector);有些数据结构能够支持双向遍历,但是随机访问的效率低下,那就支持双向迭代器(例如list);有些数据结构只能做到从前向后访问元素,那么就只能支持单向迭代器(例如单链表forward_list)。

所以我们在使用string、vector的迭代器时,可以使用“+”“-”操作符进行随机访问;而对于list,就只能通过“++”“--”来移动迭代器指向的位置。

三、list的容量接口

三个容量接口当中,前两个比较常用,我们重点介绍一下:

empty

empty函数用于判断该列表容器是否为空(即元素个数是否为0)。注意:该函数不会以任何方式修改容器。

size

size函数用于获取容器内元素的个数。 

代码示例:

#include <iostream>#include <list>using namespace std;int main(){list<int> l1;list<int> l2({ 1,2,3,4,5 });cout << "l1.size(): " << l1.size() << endl;cout << l1.empty() << endl;cout << "l2.size(): " << l2.size() << endl;cout << l2.empty() << endl;return 0;}

四、list的元素访问接口

front和back

front函数返回对列表容器中第一个元素的引用,在空容器上调用此函数会导致未定义行为。


back函数返回对列表容器中最后一个元素的引用,在空容器上调用此函数会导致未定义行为。

代码示例:

#include <iostream>#include <list>using namespace std;int main(){list<int> l = { 1,2,3,4,5 };cout << l.front() << endl;cout << l.back() << endl;return 0;}

相比vector的元素访问接口,list缺少了operator[ ]at。是因为它们不能实现吗?当然不是,而是由于链表的特殊结构。如果实现了这两个接口,则使用时都需要遍历元素,效率的代价是很大的。

五、list的增删查改

在涉及增删查改操作的接口中,鉴于部分接口功能有所重复,博主仅挑选几个进行介绍。

push_front

push_front的功能是在容器的开头插入一个新元素,就在它当前的第一个元素之前。val的内容被复制(或移动)到插入的元素中。这有效地将容器大小增加了1。

pop_front

pop_front的功能是删除列表容器中的第一个元素,有效地将其大小减小1。这将破坏被删除的元素。

push_back

push_back的作用是在容器的末尾插入一个新元素。val的内容被复制(或移动)到新元素中。这有效地将容器大小增加了1。

pop_back

pop_back的作用是删除容器中的最后一个元素,有效地将容器大小减少一个。这将破坏被删除的元素。

代码示例:

#include <iostream>#include <list>using namespace std;void print(list<int>& l){for (auto& e : l){cout << e << ' ';}cout << endl;}int main(){list<int> l1 = { 1,2,3,4,5 };cout << "原链表:";print(l1);l1.push_back(0);cout << "尾插:";print(l1);l1.push_front(0);cout << "头插:";print(l1);l1.pop_back();cout << "尾删:";print(l1);l1.pop_front();cout << "头删:";print(l1);return 0;}

insert和erase

insert用于指定位置插入元素(需要使用迭代器指定)。该函数支持单个元素插入、n个val值插入、迭代器区间插入以及初始化器插入。操作结束后,该函数会返回新插入部分首元素的迭代器


erase的作用是删除指定位置的元素或区间(需要使用迭代器指定)。操作结束后,函数返回删除部分的后一个位置的迭代器(防止迭代器失效)。 

代码举例:

#include <iostream>#include <list>using namespace std;void print(list<int>& l){for (auto& e : l){cout << e << ' ';}cout << endl;}int main(){list<int> l = { 1,2,3,4,5 };l.insert(++l.begin(), 0);//在第二个位置插入一个元素print(l);l.erase(----l.end());//删除倒数第二个元素print(l);return 0;}

swap

swap的功能是交换两个list容器的内容。 当然,也有一个非成员函数的swap支持list的交换:

resize

resize的功能是调整容器的大小,使其包含n个元素

如果n小于当前容器的大小,则内容将被减少到n个元素,并删除超出的元素(销毁它们)

如果n大于当前容器的大小,则通过在末尾插入所需的元素来扩展内容,以达到n的大小。如果指定了val,则将新元素初始化为val的副本,否则调用其构造函数来初始化元素。

注意:这个函数通过插入或删除元素来改变容器的实际内容。

代码示例:

#include <iostream>#include <list>using namespace std;void print(list<int>& l){for (auto& e : l){cout << e << ' ';}cout << endl;}int main(){list<int> l1;list<int> l2;l1.resize(10);l2.resize(10, 5);print(l1);print(l2);list<int> l3({ 1,2,3,4,5 });print(l3);l3.resize(3);print(l3);return 0;}

clear

clear的功能是从列表容器中删除所有元素,并将容器的大小保留为0。

find

与vector相同,list并没有用于查找的函数(find),要使用STL实现的通用find完成查找。该find函数定义在算法库<algorithm>当中,用于容器元素的查找。它接受两个迭代器参数和一个值参数,表示需要查找的区间和值如果找到了,函数会返回指向第一个查找到的元素的迭代器,否则返回尾迭代器

六、list的其他操作接口

除了传统的成员函数外,list还提供了一些特有的与插入删除相关的操作接口供我们使用。通过学习这些接口的使用方法,我们可以初步了解仿函数的相关知识。

splice

splice的功能是剪切它能够将 容器x 容器x的某个元素 容器的一部分 拷贝到原容器的指定位置,并且从x中删除相应元素(操作不涉及任何元素的构造或销毁)

代码示例:

#include <iostream>#include <list>using namespace std;void print(list<int>& l){for (auto& e : l){cout << e << ' ';}cout << endl;}int main(){list<int> l1;list<int> l2({ 1,2,3,4,5 });l1.splice(l1.end(), l2);//将l2剪切到l1的末尾cout << "l1:";print(l1);cout << "l2:";print(l2);cout << endl;l2 = { 1,2,3,4,5 };l1.splice(l1.end(), l2, l2.begin());//将l2的首元素剪切到l1的末尾cout << "l1:";print(l1);cout << "l2:";print(l2);cout << endl;l2 = { 1,2,3,4,5 };l1.splice(l1.end(), l2, ++l2.begin(), --l2.end());//将l2掐头去尾的部分剪切到l1的末尾cout << "l1:";print(l1);cout << "l2:";print(l2);cout << endl;}

remove

remove的功能是删除指定值的元素

该函数从容器中删除比较结果为val的所有元素。这将调用这些对象的析构函数,并按删除元素的数量减少容器大小。

与erase不同,erase根据元素的位置删除元素,该函数根据元素的值删除元素。

代码示例:

#include <iostream>#include <list>using namespace std;void print(list<int>& l){for (auto& e : l){cout << e << ' ';}cout << endl;}int main(){list<int> l = { 1,2,3,2,4,2,2,5 };print(l);l.remove(2);//删除所有的2print(l);return 0;}

 

remove_if

remove_if用于删除list容器中满足特定条件的所有元素(特定条件由我们设定)

该函数的参数是一个谓词(Predicate),如果容器中的某元素使得该谓词返回true,就将该元素删除。


这里简单介绍一下谓词

        之前我们在c语言部分使用qsort函数时,需要显示写一个比较函数用于确定排序的规则,谓词的功能就相当于我们显示写的比较函数。

        谓词可以是以下几种形式之一:

        1. 返回值为bool类型的函数指针

        2. 仿函数(重载了函数调用操作符"()"的类,且该重载函数的返回值是bool类型)

        3. Lambda表达式(c++11之后支持)

--------------------

        由于我们已经使用过函数指针,在接下来的代码示例当中,我们就尝试写一个仿函数来表示谓词。

代码示例:

#include <iostream>#include <list>using namespace std;void print(list<int>& l){for (auto& e : l){cout << e << ' ';}cout << endl;}//仿函数class f{public:bool operator()(int value){return value < 10;//将小于10的元素确定为true}};int main(){list<int> l = { 20,1,5,9,15,17 };l.remove_if(f());//删除所有小于10的元素print(l);return 0;}

 

unique

unique函数的功能是删除所有与它的前一个元素满足某特定关系(特定关系可由我们设定)的元素。当然,该特定关系也是使用谓词表示。当我们没有显示设置特定关系,那么该特定关系就是两元素相等,也就是说我们没有传参时,函数的功能是删除所有相邻的重复元素(保留一个重复的元素,不会全部删除)

代码示例:

#include <iostream>#include <list>using namespace std;void print(list<int>& l){for (auto& e : l){cout << e << ' ';}cout << endl;}int main(){list<int> l1 = { 1,1,2,3,3,4,4,4,5,5,6,7,8,8 };//有序序列l1.unique();print(l1);list<int> l2 = { 2,2,1,2,2 };//无序序列,无法直接删除所有重复元素l2.unique();print(l2);return 0;}

对于一个无序list序列,如果想要删除所有的重复元素,那么就需要先对list进行排序,然后再调用unique函数。

merge

merge的作用是合并两个有序链表注意两个容器都应是有序状态

这实际上删除了x中的所有元素,但不是销毁其中元素,而是将节点的指针互相连接,最后全部并入到原容器中。

该函数可以接受一个特定的谓词(comp)来执行元素之间的比较操作。

函数执行后,等价元素的相对位置不变(即原容器的在前,x的在后)。

如果x就是原容器,那么函数什么也不做。

代码示例:

#include <iostream>#include <list>using namespace std;void print(list<int>& l){for (auto& e : l){cout << e << ' ';}cout << endl;}int main(){list<int> l1 = { 1,3,5,7,9 };list<int> l2 = { 2,4,6,8,10 };l1.merge(l2);//合并cout << "l1:";print(l1);cout << "l2:";print(l2);return 0;}

sort

sort用于排序list容器。当然,我们也可以传入一个谓词来确定排序规则,否则默认升序。

它的底层是一个优化的归并排序,意味着等价元素相对位置不变

说起sort,博主在这里补充一点:与通用find函数相同,STL实现了一个通用的排序函数sort,参数是随机迭代器构成的迭代器区间,用于容器排序。

为什么要实现一个成员函数版的sort呢?直接使用算法库中的通用sort不行吗?刚才博主已经提到,list支持的是双向迭代器,并不具备随机迭代器的功能,所以list无法使用通用的sort函数完成排序,会发生报错。所以说list的成员函数当中,实现了一个排序函数sort。

接下来我们尝试使用该函数:

#include <iostream>#include <list>#include <algorithm>using namespace std;void print(list<int>& l){for (auto& e : l){cout << e << ' ';}cout << endl;}int main(){list<int> l = { 5,1,7,2,4,8,0,3 };l.sort();//排序print(l);return 0;}

由于list底层是一个链表,所以对于排序这种需要重复调整元素顺序的算法,它的效率不是很高。如果要对list排序,建议将list的内容拷贝给vector,然后进行排序,最后拷贝回list。

reverse

reverse的功能是反转链表

代码示例:

#include <iostream>#include <list>#include <algorithm>using namespace std;void print(list<int>& l){for (auto& e : l){cout << e << ' ';}cout << endl;}int main(){list<int> l = { 1,2,3,4,5 };l.reverse();//反转print(l);return 0;}

总结

        今天我们学习了STL容器--list的使用方法。当我们需要频繁进行插入和删除操作时,可以考虑使用该容器。之后博主会和大家一起模拟实现list,并且借此来深入学习迭代器的底层实现。如果你觉得博主讲的还不错,就请留下一个小小的赞在走哦,感谢大家的支持❤❤❤


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