C++ STL list容器与 forward_list容器

STL list 容器，又称双向链表容器，即该容器的底层是以双向链表的形式实现的。这意味着，list 容器中的元素可以分散存储在内存空间里，而不是必须存储在一整块连续的内存空间中。

可以看到，list 容器中各个元素的前后顺序是靠指针来维系的，每个元素都配备了 2 个指针，分别指向它的前一个元素和后一个元素。其中第一个元素的前向指针总为 null，因为它前面没有元素；同样，尾部元素的后向指针也总为 null。
基于这样的存储结构，list 容器具有一些其它容器（array、vector 和 deque）所不具备的优势，即它可以在序列已知的任何位置快速插入或删除元素（时间复杂度为O(1)）。并且在 list 容器中移动元素，也比其它容器的效率高。
使用 list 容器的缺点是，它不能像 array 和 vector 那样，通过位置直接访问元素。举个例子，如果要访问 list 容器中的第 6 个元素，它不支持 容器对象名[6] 这种语法格式，正确的做法是从容器中第一个元素或最后一个元素开始遍历容器，直到找到该位置。

list 容器以模板类 list<T>（T 为存储元素的类型）的形式在<list>头文件中，并位于 std 命名空间中。

创建list容器

1) 创建一个没有任何元素的空 list 容器：

std::list<int> values;

2) 创建一个包含 n 个元素的 list 容器：

std::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 list 容器，并为每个元素指定初始值。例如：

std::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 list 容器的情况下，通过拷贝该容器可以创建新的 list 容器。例如：

std::list<int> value1(10);
std::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 list 容器。例如：

//拷贝普通数组，创建list容器
int a[] = { 1,2,3,4,5 };
std::list<int> values(a, a+5);
//拷贝其它类型的容器，创建 list 容器
std::array<int, 5>arr{ 11,12,13,14,15 };
std::list<int>values(arr.begin()+2, arr.end());//拷贝arr容器中的{13,14,15}

list的成员函数

成员函数	功能
begin()	返回指向容器中第一个元素的双向迭代器。
end()	返回指向容器中最后一个元素所在位置的下一个位置的双向迭代器。
rbegin()	返回指向最后一个元素的反向双向迭代器。
rend()	返回指向第一个元素所在位置前一个位置的反向双向迭代器。
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。
crbegin()	和 rbegin() 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。
crend()	和 rend() 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。
size()	返回当前容器实际包含的元素个数。
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。
back()	返回最后一个元素的引用。
assign()	用新元素替换容器中原有内容。
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。
push_front()	在容器头部插入一个元素。
pop_front()	删除容器头部的一个元素。
emplace_back()	在容器尾部直接生成一个元素。该函数和 push_back() 的功能相同，但效率更高。
push_back()	在容器尾部插入一个元素。
pop_back()	删除容器尾部的一个元素。
emplace()	在容器中的指定位置插入元素。该函数和 insert() 功能相同，但效率更高。
insert()	在容器中的指定位置插入元素。
erase()	删除容器中一个或某区域内的元素。
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()	将一个 list 容器中的元素插入到另一个容器的指定位置。
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 list 容器，并且合并之后的 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。

list 容器迭代器配备的迭代器类型为双向迭代器，而不是随机访问迭代器，这与vector、deque不同。
这意味着，假设 p1 和 p2 都是双向迭代器，则它们支持使用 ++p1、 p1++、 p1--、 p1++、 *p1、 p1==p2 以及 p1!=p2 运算符，但不支持以下操作（其中 i 为整数）：

p1[i]：不能通过下标访问 list 容器中指定位置处的元素。
p1-=i、 p1+=i、 p1+i 、p1-i：双向迭代器 p1 不支持使用 -=、+=、+、- 运算符。
p1<p2、 p1>p2、 p1<=p2、 p1>=p2：双向迭代器 p1、p2 不支持使用 <、 >、 <=、 >= 比较运算符。

list 容器在进行插入（insert()）、接合（splice()）等操作时，都不会造成原有的 list 迭代器失效，甚至进行删除操作，而只有指向被删除元素的迭代器失效，其他迭代器不受任何影响。这与它是一个链表有关。

list底层实现机制

list底层是用双向链表实现的，甚至一些 STL 版本中（比如 SGI STL），list 容器的底层实现使用的是双向循环链表。

双向链表的各个节点中存储的不仅仅是元素的值，还应包含 2 个指针，分别指向前一个元素和后一个元素。
通过查看 list 容器的源码实现，其对节点的定义如下(省略版）：

template<typename T,...>
struct __List_node{
//...
__list_node<T>* prev;
__list_node<T>* next;
T myval;
//...
}

可以看到，list 容器定义的每个节点中，都包含 *prev、*next 和 myval。其中，prev 指针用于指向前一个节点；next 指针用于指向后一个节点；myval 用于存储当前元素的值。

和 array、vector 这些容器迭代器的实现方式不同，由于 list 容器的元素并不是连续存储的，所以该容器迭代器中，必须包含一个可以指向 list 容器的指针，并且该指针还可以借助重载的 *、++、--、==、!= 等运算符，实现迭代器正确的递增、递减、取值等操作。

template<tyepname T,...>
struct __list_iterator{
    __list_node<T>* node;
    //...
    //重载 == 运算符
    bool operator==(const __list_iterator& x){return node == x.node;}
    //重载 != 运算符
    bool operator!=(const __list_iterator& x){return node != x.node;}
    //重载 * 运算符，返回引用类型
    T* operator *() const {return *(node).myval;}
    //重载前置 ++ 运算符
    __list_iterator<T>& operator ++(){
        node = (*node).next;
        return *this;
    }
    //重载后置 ++ 运算符
    __list_iterator<T>& operator ++(int){
        __list_iterator<T> tmp = *this;
        ++(*this);
        return tmp;
    }
    //重载前置 -- 运算符
    __list_iterator<T>& operator--(){
        node = (*node).prev;
        return *this;
    }
    //重载后置 -- 运算符
    __list_iterator<T> operator--(int){
        __list_iterator<T> tmp = *this;
        --(*this);
        return tmp;
    }
    //...
}

不同版本的 STL 标准库中，list 容器的底层实现并不完全一致，但原理基本相同。这里以 SGI STL 中的 list 容器为例，讲解该容器的具体实现过程。

SGI STL 标准库中，list 容器的底层实现为双向循环链表，相比双向链表结构的好处是在构建 list 容器时，只需借助一个指针即可轻松表示 list 容器的首尾元素。

template <class T,...>
class list
{
　　//...
　　//指向链表的头节点，并不存放数据
　　__list_node<T>* node;
　　//...以下还有list 容器的构造函数以及很多操作函数
}

另外，为了更方便的实现 list 模板类提供的函数，该模板类在构建容器时，会刻意在容器链表中添加一个空白节点，并作为 list 链表的首个节点（又称头节点、哨位节点）。

使用双向链表实现的 list 容器，其内部通常包含 2 个指针，并分别指向链表中头部的空白节点和尾部的空白节点（也就是说，其包含 2 个空白节点）。

比如，我们经常构造空的 list 容器，其用到的构造函数如下所示：

list() { empty_initialize(); }
// 用于空链表的建立
void empty_initialize()
{
　　node = get_node();//初始化节点
　　node->next = node; // 前置节点指向自己
　　node->prev = node; // 后置节点指向自己
}

显然，即便是创建空的 list 容器，它也包含有 1 个节点。
除此之外，list 模板类中还提供有带参的构造函数，它们的实现过程大致分为以下 2 步：

调用 empty_initialize() 函数，构造带有头节点的空 list 容器链表；
将各个参数按照次序插入到空的 list 容器链表中。

由此可以总结出，list 容器实际上就是一个带有头节点的双向循环链表。如图 2 所示，此为存有 2 个元素的 list 容器：

在此基础上，通过借助 node 头节点，就可以实现 list 容器中的所有成员函数，比如：

//begin()成员函数
__list_iterator<T> begin(){return (*node).next;}
//end()成员函数
__list_iterator<T> end(){return node;}
//empty()成员函数
bool empty() const{return (*node).next == node;}
//front()成员函数
T& front() {return *begin();}
//back()成员函数
T& back() {return *(--end();)}
//...

empty()函数和size()函数判断容器是否为空哪个好？

if(cont.size() == 0)
if(cont.empty())

这两行代码功能是等价的。

但在实际场景中，建议使用 empty() 成员方法。理由很简单，无论是哪种容器，只要其模板类中提供了 empty() 成员方法，使用此方法都可以保证在 O(1) 时间复杂度内完成对“容器是否为空”的判断；但对于 list 容器来说，使用 size() 成员方法判断“容器是否为空”，可能要消耗 O(n) 的时间复杂度。

注意，这个结论不仅适用于 vector、deque 和 list 容器，后续还会讲解更多容器的用法，该结论也依然适用。

那么，为什么 list 容器这么特殊呢？这和 list 模板类提供了独有的 splice() 成员方法有关。

用户经常需要知道当前 list 容器中存有多少个元素，于是我们想让 size() 成员方法的执行效率达到 O(1)。为了实现这个目的，我们必须重新设计 list，使它总能以最快的效率知道自己含有多少个元素。

要想令 size() 的执行效率达到 O(1)，最直接的实现方式是：在 list 模板类中设置一个专门用于统计存储元素数量的 size 变量，其位于所有成员方法的外部。与此同时，在每一个可用来为容器添加或删除元素的成员方法中，添加对 size 变量值的更新操作。由此，size() 成员方法只需返回 size 这个变量即可（时间复杂度为 O(1)）。

不仅如此，由于 list 容器底层采用的是链式存储结构（也就是链表），该结构最大的特点就是，某一链表中存有元素的节点，无需经过拷贝就可以直接链接到其它链表中，且整个过程只需要消耗 O(1) 的时间复杂度。考虑到很多用户之所以选用 list 容器，就是看中了其底层存储结构的这一特性。因此，作为 list 容器设计者的我们，自然也想将 splice() 方法的时间复杂度设计为 O(1)。
这里就产生了一个矛盾，即如果将 size() 设计为 O(1) 时间复杂度，则由于 splice() 成员方法会修改 list 容器存储元素的个数，因此该方法中就需要添加更新 size 变量的代码（更新方式无疑是通过遍历链表来实现），这也就意味着 splice() 成员方法的执行效率将无法达到 O(1)；反之，如果将 splice() 成员方法的执行效率提高到 O(1)，则 size() 成员方法将无法实现 O(1) 的时间复杂度。

也就是说，list 容器中的 size() 和 splice() 总有一个要做出让步，即只能实现其中一个方法的执行效率达到 O(1)。

值得一提的是，不同版本的 STL 标准库，其底层解决此冲突的抉择是不同的。 C++ STL 标准模板库选择将 splice() 成员方法的执行效率达到 O(1)，而 size() 成员方法的执行效率为 O(n)。当然，有些版本的 STL 标准库中，选择将 size() 方法的执行效率设计为 O(1)。
但不论怎样，选用 empty() 判断容器是否为空，效率总是最高的。所以，如果程序中需要判断当前容器是否为空，应优先考虑使用 empty()。

forward_list

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。

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。

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。

创建forward_list容器

1) 创建一个没有任何元素的空 forward_list 容器：

std::forward_list<int> values;

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。

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;
}

输出：

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;
}

参考C语言中文网-STL-list&forward_list部分

posted @ 2021-09-02 21:29 默行于世阅读(413) 评论(0) 编辑收藏举报

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