C++ list（STL list）容器完全攻略（超级详细）

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。

图 1 展示了 list 双向链表容器是如何存储元素的。

图 1 list 双向链表容器的存储结构示意图
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。

实际场景中，如何需要对序列进行大量添加或删除元素的操作，而直接访问元素的需求却很少，这种情况建议使用 list 容器存储序列。

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。因此，在使用该容器之前，代码中需要包含下面两行代码：

#include <list>
using namespace std;

注意，std 命名空间也可以在使用 list 容器时额外注明，两种方式都可以。

list容器的创建

根据不同的使用场景，有以下 5 种创建 list 容器的方式供选择。

1) 创建一个没有任何元素的空 list 容器：

std::list<int> values;

和空 array 容器不同，空的 list 容器在创建之后仍可以添加元素，因此创建 list 容器的方式很常用。

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容器可用的成员函数

表 2 中罗列出了 list 模板类提供的所有成员函数以及各自的功能。

表 2 list 容器可用的成员函数 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。  
除此之外，C++ 11 标准库还新增加了 begin() 和 end() 这 2 个函数，和 list 容器包含的 begin() 和 end() 成员函数不同，标准库提供的这 2 个函数的操作对象，既可以是容器，还可以是普通数组。当操作对象是容器时，它和容器包含的 begin() 和 end() 成员函数的功能完全相同；如果操作对象是普通数组，则 begin() 函数返回的是指向数组第一个元素的指针，同样 end() 返回指向数组中最后一个元素之后一个位置的指针（注意不是最后一个元素）。

list 容器还有一个std::swap(x , y)非成员函数（其中 x 和 y 是存储相同类型元素的 list 容器），它和 swap() 成员函数的功能完全相同，仅使用语法上有差异。

如下代码演示了表 2 中部分成员函数的用法：

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

int main()
{
    //创建空的 list 容器
    std::list<double> values;
    //向容器中添加元素
    values.push_back(3.1);
    values.push_back(2.2);
    values.push_back(2.9);
    cout << "values size：" << values.size() << endl;
    //对容器中的元素进行排序
    values.sort();
    //使用迭代器输出list容器中的元素
    for (std::list<double>::iterator it = values.begin(); it != values.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    return 0;
}

运行结果为：

values size：3
2.2 2.9 3.1

表 2 中这些成员函数的具体用法，后续学习用到时会具体讲解，感兴趣的读者，也可以通过查阅 STL手册做详细了解。