C++ List 基本使用

基本概念

list 是一个序列容器，它内部维护了一个双向链表结构。与 vector 或 deque 等基于数组的容器不同，list 在插入和删除元素时不需要移动大量数据，因此在这些操作上具有较高的效率。然而，访问列表中的特定元素通常需要线性时间，因为 list 不提供随机访问迭代器。

list 动态分配内存，每个元素作为一个独立的节点，节点之间通过指针链接，这种结构使得插入和删除操作非常高效。

插入和删除操作

list 提供了多种插入和删除元素的方法，如 push_front, push_back, pop_front, pop_back, insert, erase 等，这些操作通常具有常数时间复杂度 O(1)。

list<int> lst;
lst.push_front(1); // 在列表前端插入元素
lst.push_back(2); // 在列表尾端插入元素
lst.insert(lst.begin(), 0); // 在迭代器指定位置插入元素
lst.erase(lst.begin()); // 删除迭代器指向的元素
lst.pop_front(); // 删除并返回列表前端的元素
lst.pop_back(); // 删除并返回列表尾端的元素

迭代器

list 提供双向迭代器，允许从任意方向遍历列表，而且在插入或删除元素时迭代器保持有效，这是与基于数组的容器如 vector 的主要区别之一。

典型用法

创建和初始化

#include <list>
#include <iostream>

int main() {
    list<int> lst; // 创建一个空列表
    list<int> lst2{1, 2, 3}; // 列表初始化
    list<int> lst3(lst2.begin(), lst2.end()); // 区间初始化
    list<int> lst4 = {4, 5, 6}; // 嵌入式初始化
    return 0;
}

遍历列表

list<int> lst = {1, 2, 3};
for (auto it = lst.begin(); it != lst.end(); ++it) {
    cout << *it << ' ';
}
// 或者使用范围for循环
for (const auto& elem : lst) {
    cout << elem << ' ';
}

常用操作

性能考量

虽然 list 在插入和删除方面表现出色，但由于不支持随机访问，因此在需要频繁随机访问元素的场景中，vector 或 deque 可能是更佳选择。

vector vs list 深入解析与对比

内部结构

• vector: 基于动态数组实现，支持快速地通过索引随机访问任何元素，时间复杂度为O(1)，但插入或删除头部元素时效率较低，最坏时间复杂度为O(n)。
• list: 实现为双向链表，每个元素都是链表中的一个节点，节点之间通过指针连接。使得插入和删除操作在任何位置都非常高效，时间复杂度为O(1)；但不支持随机访问，访问列表中的特定元素需要从头或尾遍历，最坏时间复杂度为O(n)。

迭代器行为

• vector：当vector容量不足以容纳新的元素时，它会重新分配内存，将所有元素复制到新的内存空间。这个过程会使得之前所有指向vector的迭代器失效。
• list：迭代器在大多数情况下保持有效。只有当列表中的元素被删除或迭代器被显示重置时，受影响的迭代器才会失效。因为list中的元素都是独立的节点，插入删除操作只需要更新指针指向，不会影响其他节点的地址。

选择场景

• vector：适用于需要频繁随机访问元素，且主要在容器尾部进行插入和删除操作的场景。
• list：适用于需要在容器任意位置高效插入和删除元素的场景，特别是在插入和删除操作频率高于随机访问的情况下。

实际应用示例

vector示例：

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    std::vector<int> vec = { 1, 2, 3 };
	vec.push_back(4); // 在末尾插入元素
	cout << vec[2] << endl; // 随机访问元素

	auto it = vec.begin() + 2; // 创建指向第3个元素的迭代器
	cout << "头插前：" << *it << endl;

	// 在向量开始插入元素
	vec.insert(vec.begin(), 0);

	// 此时，原先的迭代器it已失效，因为所有的元素都向后移动了一位
	// 下面的代码将触发未定义的行为
	// cout << "头插后：" << *it << std::endl;

	// 正确的做法是重新定位迭代器
	it = vec.insert(vec.begin(), 9); // 利用函数返回值重新指向有效迭代器

	cout << "头插后：" << *it << endl;
    return 0;
}

list示例：

#include <list>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    list<int> lst = {1, 2, 3};
    lst.push_front(0); // 在开头插入元素，迭代器有效
    // 让迭代器指向第一个元素
    auto it = lst.begin();
    cout << "插入前：" << *it << endl;
    lst.insert(lst.begin(), 4); // 在任意位置插入元素，迭代器有效
    cout << "插入前：" << *it << endl;
    
    return 0;
}