• 【C++】List -- 详解

    一、list 的介绍及使用

    cplusplus.com/reference/list/list/?kw=list

    1. list 是可以在常数时间 O(1) 内在任意位置进行插入和删除的序列式容器，并且该容器可以前后双向迭代。
    2. list 的底层是带头双向循环链表结构，双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中，在节点中通过指针指向其前一个元素和后一个元素。
    3. list 与 forward_list 非常相似：最主要的不同在于 forward_list 是单链表，只能朝前迭代，不支持尾插、尾删，对比双向链表的唯一优势就是每个节点少存一个指针。但是forward_list 在实际中用的很少，单链表尾插和尾删效率太低，尤其是尾删，不实用。
    4. 与其他的序列式容器相比（array，vector，deque），list 在容器内任意位置进行插入、删除、移动元素方面的执行效率通常表现更好。
    5. 与其他序列式容器相比，list 和 forward_list 最大的缺陷是不支持任意位置的随机访问，比如：要访问 list 的第 6 个元素，必须从已知的位置（比如头部 / 尾部）迭代到该位置，在这段位置上迭代需要线性的时间开销；list 还需要一些额外的空间，以保存每个节点的相关联信息（对于存储类型较小元素的大 list 来说这可能是一个重要的因素）。

    1、list 的使用

    list 中的接口比较多，此处类似，只需要掌握如何正确的使用，然后再去深入研究背后的原理，已达到可扩展的能力。以下为 list 中一些常见的重要接口。
    （1）list 的构造

    1. // list的构造
    2. void TestL1()
    3. {
    4.     list<int> l1;                        // 构造空的l1
    5.     list<int> l2(4, 100);                // l2中放4个值为100的元素
    6.     list<int> l3(l2.begin(), l2.end());  // 用l2的[begin(), end())左闭右开的区间构造l3
    7.     list<int> l4(l3);                    // 用l3拷贝构造l4
    8.  
    9.     // 以数组为迭代器区间构造l5
    10.     int array[] = {16, 2, 77, 29};
    11.     list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));
    12.  
    13.     // 列表格式初始化C++11
    14.     list<int> l6{1, 2, 3, 4, 5};
    15. }
    （2）迭代器的使用

    可以暂时将迭代器理解成一个指针，该指针指向 list 中的某个节点。 

    1. // list迭代器的使用
    2. void PrintList(const list<int>& l)
    3. {
    4.     // 注意这里调用的是list的 begin() const，返回list的const_iterator对象
    5.     for (list<int>::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
    6.     {
    7.         cout << *it << " ";
    8.         // *it = 10; // 不能改变该值 -- 否则编译不通过
    9.     }
    10.     cout << endl;
    11. }
    1. void TestL2()
    2. {
    3.     int array[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0};
    4.     list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
    5.  
    6.     // 使用正向迭代器正向list中的元素
    7.     // list::iterator it = l.begin(); // C++98中语法
    8.     auto it = l.begin();                   // C++11之后推荐写法
    9.     while (it != l.end())
    10.     {
    11.         cout << *it << " ";
    12.         ++it;
    13.     }
    14.     cout << endl;
    15.  
    16.     // 使用反向迭代器逆向打印list中的元素
    17.     // list::reverse_iterator rit = l.rbegin();
    18.     auto rit = l.rbegin();
    19.     while (rit != l.rend())
    20.     {
    21.         cout << *rit << " ";
    22.         ++rit;
    23.     }
    24.     cout << endl;
    25.  
    26.     // 以数组为迭代器区间构造l5
    27.     list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));
    28.  
    29.     // 用迭代器方式打印元素
    30.     list<int>::iterator it = l.begin();
    31.     while (it != l.end())
    32.     {
    33.         cout << *it << " ";
    34.         ++it;
    35.     }
    36.     cout << endl;
    37.  
    38.     // C++11范围for的方式遍历
    39.     for (auto& e : l)
    40.     {
    41.         cout << e << " ";
    42.     }
    43.     cout << endl;
    44. }

    遍历链表只能用迭代器和范围for。

    注意 ：
    1. begin 与 end 为正向迭代器，对迭代器执行 ++ 操作，迭代器向后移动。
    2. rbegin(end) 与 rend(begin) 为反向迭代器，对迭代器执行 ++ 操作，迭代器向前移动。
    （3）容量操作

    cplusplus.com/reference/list/list/empty/

    cplusplus.com/reference/list/list/size/

    （4）访问操作

    list 不支持 [] 运算符，因为 list 容器物理地址不是连续的。

    cplusplus.com/reference/list/list/front/

    cplusplus.com/reference/list/list/back/

    （5）修改操作

    注意：list 可以在任意位置进行 O(1) 的插入和删除操作。 

    1. // list插入和删除
    2. // push_back/pop_back/push_front/pop_front
    3. void TestL3()
    4. {
    5.     int array[] = {1, 2, 3};
    6.     list<int> L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
    7.     
    8.     L.push_back(4); // 在list的尾部插入4
    9.     L.push_front(0); // 在list的头部插入0
    10.     PrintList(L);
    11.     
    12.     L.pop_back(); // 删除list尾部节点
    13.     L.pop_front(); // 删除list头部节点
    14.     PrintList(L);
    15. }
    1. // insert /erase 
    2. void TestL4()
    3. {
    4.     int array1[] = {1, 2, 3};
    5.     list<int> L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
    6.    
    7.     auto pos = ++L.begin(); // 获取链表中第二个节点
    8.     cout << *pos << endl;
    9.   
    10.     L.insert(pos, 4); // 在pos前插入值为4的元素
    11.     PrintList(L);
    12.    
    13.     L.insert(pos, 5, 5); // 在pos前插入5个值为5的元素
    14.     PrintList(L);
    15.    
    16.     vector<int> v{7, 8, 9};
    17.     L.insert(pos, v.begin(), v.end()); // 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素
    18.     PrintList(L);
    19.    
    20.     L.erase(pos); // 删除pos位置上的元素
    21.     PrintList(L);
    22.    
    23.     L.erase(L.begin(), L.end()); // 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素
    24.     PrintList(L);
    25. }
    为什么 C++98 建议使用各自容器里的 swap，而不建议使用算法里的 swap？

    可以看到算法里 swap 的 C++98 的实现，无论是 string、vector、list 使用它都会涉及深拷贝问题，而且这里的深拷贝代价极大，需要深拷贝 3 次 —— 当 l1 和 l2 交换，这里会把 l1 拷贝构造一份 c，然后把 l2 赋值于 l1，c 赋值于 l2，完成交换。

    而如果是容器里的 swap，需要交换 l1 和 l2，只需要头指针交换即可。假设是 vector，只要把 l1 和 l2 对应的 _start、_finish、_endofstorage 交换即可。相比算法里的 C++98 里的 swap，这里可以认为没有任何代价。

    1. // resize/swap/clear
    2. void TestL5()
    3. {
    4.     // 用数组来构造list
    5.     int array1[] = {1, 2, 3};
    6.     list<int> l1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
    7.     PrintList(l1);
    8.    
    9.     list<int> l2;
    10.     l1.swap(l2); // 交换l1和l2中的元素
    11.     PrintList(l1);
    12.     PrintList(l2);
    13.   
    14.     l2.clear(); // 将l2中的元素清空
    15.     cout << l2.size() << endl;
    16. }
    🔺list 的迭代器失效 
    先将迭代器暂时理解成类似于指针， 迭代器失效即迭代器所指向的节点无效，即该节点被删除了 。
    因为 list 的底层结构为带头结点的双向循环链表，因此在 list 中进行 插入 时是 不会 导致 list 的迭代器失效的，只有在 删除 时才 会 失效，并且 失效的只是指向被删除节点的迭代器 ，其他迭代器不会受到影响。

     

    1. void TestListIterator()
    2. {
    3.     int array[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0};
    4.     list<int> l(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
    5.     auto it = l.begin();
    6.     while (it != l.end())
    7.     {
    8.         // erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给其赋值
    9.         l.erase(it); 
    10.         ++it;
    11.     }
    12. }
    13.  
    14. // 改正
    15. void TestListIterator()
    16. {
    17.     int array[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0};
    18.     list<int> l(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
    19.     auto it = l.begin();
    20.     while (it != l.end())
    21.     {
    22.         l.erase(it++); // it = l.erase(it);
    23.     }
    24. }

    【补充】
    a. 容器迭代器的分类

    容器迭代器的分类：

    1. 使用功能的角度可分为：正向 / 反向 + const。
    2. 容器底层结构的角度可分为：单向迭代器、双向迭代器、随机访问迭代器。

    单链表 forward_list、哈希表 unordered_set/map 迭代器就是单向（Unidirectional Iterator），特征是能 ++，不能 --；

    双向链表 list、红黑树 set/map 迭代器就是双向（Bidirectional Iterator），特征是能 ++ / --；

    string、vector、deque 迭代器就是随机迭代器（Random Access Iterator），特征是能可以++ / -- / + / -，一般随机迭代器底层都是一个连续的空间。

    迭代器的本质是：

    在不暴露容器底层实现细节的情况下，提供了一种统一的方式来访问 / 修改容器中存储的数据。 

    容器、迭代器、算法间的关系：

    算法不能直接访问和修改容器中存储的数据，而迭代器就是容器和算法之间的胶合剂。

    stl_iterator 源码中对于迭代器的分类： 

    b. 迭代器的实现方式分析

    迭代器有两种实现方式，具体应根据容器底层数据结构的实现来确定。

    因为每个特定的容器，都有特定的内部内存结构，也就意味着遍历 / 迭代过程的细节是不一样的。

    方式一：前提条件：原生指针指向的空间物理地址是连续的，比如 string、vector。

    • 所以让原生指针 ++ 可以直接走到下一个位置，-- 可以直接回到上一个位置，* 解引用可以直接得到这个位置的数据。比如 vector：

    • 此时的原生指针就是一个天然的迭代器（但并不是原生指针厉害，而是因为它指向的空间物理地址是连续的）。

    方式二：原生指针指向的空间物理地址不连续，比如：list、map / set。

    • 所以让原生指针 ++ 不能直接走到下一个位置，-- 不能直接回到上一个位置，* 解引用不能直接得到这个位置的数据，只能得到一个结构体（结构体中包含数据和指针域）。比如 list：

    • 此时原生指针不是一个天然的迭代器，所以我们需要用一个类封装原生指针，重载相关运算符，控制对象使用这些运算符的行为，让这个类的对象，用起来像指针一样。

    • 为了让迭代器的使用形式与指针完全相同，因此在自定义的类中必须实现以下方法：

    1. 指针可以解引用，则迭代器的类中必须重载 operator*()。
    2. 指针可以通过 -> 访问其所指空间成员，则迭代器类中必须重载 oprator->()。
    3. 指针可以 ++ 向后移动，则迭代器类中必须重载 operator++() 与 operator++(int) ，至于 operator–() / operator–(int) 是否需要重载，要根据容器具体的底层结构来抉择，比如 list 双向链表可以向前移动，所以需要重载 operator--() 和 operator--(int)，如果是 forward_list 就不需要重载 --。
    4. 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载 operator==() 与 operator!=()。
    （6）容器操作（了解）
    a. sort

    cplusplus.com/reference/list/list/sort/

    • 等价元素的结果顺序是稳定的：即等价元素保留它们在调用之前的相对顺序。

    • 整个操作不涉及任何元素对象的构造、销毁或复制。元素在容器内移动。

    sort() 对 list 容器中的元素进行排序，效率很低，链表排序也没有太大的作用和价值。

    函数默认是排升序（<），如果想要排降序（>），需要传仿函数。

    1. void test()
    2. {
    3.     int arr[] = { 10, 2, 5 };
    4. 	list<int> lt(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));
    5.  
    6. 	// > 排降序
    7.     // 写法一：
    8. 	greater<int> g; // 类模板，在头文件中
    9. 	lt.sort(g);
    10.  
    11.     // 写法二：
    12. 	lt.sort(greater<int>()); // 匿名对象 
    13. 	// lt: 10 5 2    
    14. }
    b. unique 

    cplusplus.com/reference/list/list/unique/ 

    去重，必须要先排序，才能去完重复值。

    1. void test()
    2. {
    3.     int arr[] = { 2, 4, 3, 2, 4 };
    4. 	list<int> lt(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));
    5. 	lt.sort(); // 去重前，必须要先排序
    6. 	lt.unique(); // 去除重复值
    7.     // lt: 2 3 4
    8. }
    c. remove 

    cplusplus.com/reference/list/list/remove/ 

     从容器中移除所有值等于 val 的元素。

    1. void test()
    2. {
    3. 	int arr[] = { 1, 2, 3, 3, 4 };
    4. 	list<int> lt(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));
    5. 	lt.remove(3); // lt: 1 2 4
    6. }
    d. reverse 

    cplusplus.com/reference/list/list/reverse/ 

    反转容器中元素的顺序。  

    1. void test()
    2. {
    3. 	int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    4. 	list<int> lt(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));
    5.     lt.reverse(); // rlt: 5 4 3 2 1
    6. }
    e. merge 

    cplusplus.com/reference/list/list/merge/ 

    合并排序序列（合并前两个 list 容器都要排好序）。

    二、STL_list 源码剖析

    1、list 的底层结构

    SGI 版本 STL 中 list 部分源码：

    1. // 链表节点结构
    2. template <class T>
    3. struct __list_node {
    4.     typedef void* void_pointer;
    5.     void_pointer next;
    6.     void_pointer prev;
    7.     T data;
    8. };
    9.  
    10. // 迭代器 -- 一个类封装了节点指针
    11. template<class T, class Ref, class Ptr>
    12. struct __list_iterator {
    13.     typedef __list_iterator iterator;
    14.     typedef __list_iteratorconst T&, const T*> const_iterator;
    15.     typedef __list_iterator self;
    16.     // ...
    17.  
    18.     typedef Ptr pointer;
    19.     typedef Ref reference;
    20.     // ...
    21.  
    22.     typedef __list_node* link_type;
    23.  
    24.     link_type node; // 节点指针
    25.     // ...
    26. };
    27.  
    28. // 带头双向循环链表结构
    29. template <class T, class Alloc = alloc>
    30. class list {
    31. protected:
    32.     typedef __list_node list_node; // 节点
    33.     // ...
    34.  
    35. public:      
    36.     typedef T value_type;
    37.     typedef list_node* link_type; // 节点指针
    38.     // ...
    39.  
    40. public:
    41.     // 迭代器(这里的iterator和const_iterator是定义在list类域中的内嵌类型)
    42.     typedef __list_iterator iterator; // 传了T，T&，T*模板参数
    43.     typedef __list_iteratorconst T&, const T*> const_iterator; // 传了T，const T&，const T*模板参数
    44.     // ...
    45.  
    46. protected:
    47.     link_type node; // 成员变量，节点指针
    48.     // ...
    49. };

    三、list的模拟实现

    1、list 的节点结构

    双向循环链表节点结构：一个数据域，两个指针。

    1. namespace xyl
    2. {
    3. 	// List的节点类
    4. 	template<class T>
    5. 	struct list_node
    6. 	{
    7. 		T _data;               // 数据域
    8. 		list_node* _prev; // 前驱指针
    9. 		list_node* _next; // 后继指针
    10.  
    11. 		// 默认构造函数，T()是缺省值(T类型的默认构造函数)
    12. 		list_node(const T& x= T())
    13. 	        :_data(x)
    14. 			,_prev(nullptr)
    15. 			,_next(nullptr)
    16. 		{}
    17. 	};
    18. }

    2、 list 的迭代器

    前面学习的 string 和 vector 容器的正向迭代器其实就是原生指针，++ 可以直接走到下一个元素，而 list 的正向迭代器是用一个类，把节点指针封装起来，然后通过实现运算符重载函数，让迭代器具有像指针一样的行为，比如：重载了 * 运算符，实现了 *it 解引用返回节点中的存储的数据的引用，重载了 ++ 运算符，实现了 it++ 直接走到下一个元素。

    list 正向迭代器的结构： 

    1. namespace xyl
    2. {
    3.     // T:节点中数据的类型  Ref:节点中数据的引用  Ptr:节点中数据的指针(地址)
    4. 	template<class T, class Ref, class Ptr>
    5. 	struct __list_iterator
    6. 	{
    7. 		typedef list_node Node; // 节点
    8. 		typedef __list_iterator self; // 自己这个类型
    9.  
    10. 		Node* _node; // 节点指针
    11.  
    12. 		// 构造函数
    13. 		__list_iterator(Node* node) // 用节点指针来构造
    14. 			:_node(node)
    15. 		{}
    16.  
    17. 		// 让迭代器具有像指针一样的行为
    18. 		Ref operator*() // *it 本质是：it.operator*()
    19. 		{
    20. 			return _node->_val; // 返回节点中数据(对象)的引用/const常引用，具体返回什么取决于在list类域中定义迭代器时传给Ref的参数是什么
    21.              // 我们想要得到的是节点中存储的数据(对象)，而不是整个节点(节点中包含数据和2个指针)
    22. 		}
    23. 		Ptr operator->() // it-> 本质是：it.operator->()
    24. 		{
    25. 			return &(operator*()); // 返回节点中数据(对象)的指针/const常指针，具体返回什么取决于在list类域中定义迭代器时传给Ptr的参数是什么
    26. 		}
    27.  
    28. 		// 让迭代器可以移动（双向）
    29.         // ++it 本质是：it.operator++()
    30. 		Self& operator++()
    31. 		{
    32. 			_node = _node->_next;
    33. 			return *this;
    34. 		}
    35.         // it++ 本质是：it.operator++(0)
    36. 		Self operator++(int) // 不能用引用返回
    37. 		{
    38. 			Self tmp(*this);
    39. 			_node = _node->_next;
    40. 			return tmp;
    41. 		}
    42.         // --it 本质是：it.operator--()
    43. 		Self& operator--()
    44. 		{
    45. 			_node = _node->_prev;
    46. 			return *this;
    47. 		}
    48.         // it-- 本质是：it.operator--(0)
    49. 		Self operator--(int) // 不能用引用返回
    50. 		{
    51. 			Self tmp(*this);
    52. 			_node = _node->_prev;
    53. 			return tmp;
    54. 		}
    55.  
    56. 		// 让两个迭代器可以进行比较，判断两个迭代器是否相等，其实判断的是节点指针是否相等
    57. 		bool operator!=(const Self& l)const
    58. 		{
    59. 			return _node != l._node;
    60. 		}
    61. 		bool operator==(const Self& l)const
    62. 		{
    63. 			return _node != l._node;
    64. 		}
    65. 	};
    66. }

    迭代器有两种实现方式，具体应根据容器底层数据结构实现：

    1. 原生态指针，比如：vector。
    2. 将原生态指针进行封装，因迭代器使用形式与指针完全相同。

    因此在自定义的类中必须实现以下方法：

    1. 指针可以解引用，迭代器的类中必须重载 operator*() 。
    2. 指针可以通过 -> 访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载 oprator->() 。
    3. 指针可以 ++ 向后移动，迭代器类中必须重载 operator++() 与 operator++(int) 。
    4. 至于operator--() / operator--(int) 释放需要重载，根据具体的结构来抉择，双向链表可以向前移动，所以需要重载，如果是 forward_list 就不需要重载 -- 。
    5. 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载 operator==() 与 operator!=() 。
    （1）如何实现 const 迭代器？

    string 和 vector 的迭代器就是一个原生指针，我们给原生指针加上 const 就可以变成 const 迭代器，比如：

    1. // T: 容器中存储的数据的类型
    2. typedef T* iterator;
    3. typedef const T* const_iterator;

    但 list 的迭代器不是一个原生指针，而是一个类里面封装了原生指针，那如何实现 list 的 const 迭代器呢？

    const 迭代器，顾名思义，就是不能改变的迭代器，是不能通过 * 和 -> 修改指向成员的，所以我们把 operator*() 和 operator->() 函数的返回值改成常引用即可。比如：

    const T& operator*() ; // 返回节点中数据(对象)的const常引用

    那我们需要实现一个 __list_const_iterator 的类吗？在类中重载一个返回值为常引用的 operator*() 函数。

    普通写法需要这样，因为 T& operator*(); 和 const T& operator*(); 这两个函数只是返回值不同，无法放在一个类里面构成重载。

    SGI 版本 stl_list 源码中是怎么样实现的：

    通过增加模板参数来控制，普通迭代器传过来的参数就是 T&，const 迭代器传过来的参数就是 const T&。 

    （2）迭代器遍历 list 中节点的方式是什么？

    如果迭代器管理的节点中的数据是内置类型：

    1. void test()
    2. {
    3.     int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    4.     list<int> lt(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));
    5.  
    6.     list<int>::iterator it = lt.begin();
    7.     while (it != lt.end())
    8.     {
    9.         // 对指向当前节点的迭代器解引用 *it 可以得到当前节点中存储的数据
    10.         cout << *it << " "; // it.operator*()
    11.         ++it;
    12.     }
    13.  
    14. }

    如果迭代器管理的节点中的数据是自定义类型 / 结构体：

    1. struct TreeNode
    2. {
    3.     int _val;
    4.     struct TreeNode* _left;
    5.     struct TreeNode* _right;
    6.  
    7.     TreeNode(int val = -1)
    8. 		:_val(val)
    9. 		,_left(nullptr)
    10. 		,_right(nullptr)
    11. 	{}
    12. };
    13.  
    14. void test()
    15. {
    16.     list lt;
    17.     lt.push_back(TreeNode(1));
    18.     lt.push_back(TreeNode(2));
    19.     lt.push_back(TreeNode(3));
    20.  
    21.     list::iterator it = lt.begin();
    22.     while (it != lt.end())
    23.     {
    24.         /* 错误写法：
    25. 		* 对指向当前节点的迭代器解引用*it可以得到当前节点中存储的TreeNode结构体
    26. 		* TreeNode结构体中存储的数据_val是不能直接输出出来的
    27. 		* 除非重载了专门针对输出TreeNode结构体中数据的流插入运算符，比如：ostream& operator<<(ostream& out, const TreeNode node);
    28. 		*/
    29.         // cout << *it << " "; // error!!!
    30.  
    31.         /* 正确写法1：
    32. 		* 对指向当前节点的迭代器解引用*it得到当前节点中存储的TreeNode结构体
    33. 		* 然后用'.'再去访问 TreeNode 结构体中存储的数据_val
    34. 		*/
    35.         cout << (*it)._val << " ";
    36.  
    37.         /* 正确写法2：
    38. 		* 调用 operator->() 函数
    39. 		* 迭代器->，返回迭代器指向节点中存储的TreeNode结构体的地址(指针)：TreeNode*
    40. 		* 然后该指针再使用'->'访问结构体中存储的数据_val
    41. 		* 代码为：it->->_val，但可读性太差，编译器进行了特殊处理，省略掉了一个箭头，保持了程序的可读性
    42. 		*/
    43.         // 注意：一般结构体的指针才会使用'->'来访问成员
    44.         // 当迭代器管理的节点中的数据是结构体的时候，就可以用'->'
    45.         cout << it->_val << " "; // 这种写法常用
    46.         it++;
    47.     }
    48. }
    （3）迭代器（ __list_iterator 类）中需要写拷贝构造、赋值重载、析构函数吗？

    不需要，默认生成的就可以，而且也不需要我们去实现。虽然迭代器中封装了节点指针，但节点是归链表管理的，链表 list 中的节点也不需要迭代器去释放，list 自己会去释放。

    （4） vector 和 list 的迭代器哪个更复杂呢？有什么区别呢？

    它们的大小都是一样的（32 位下），vector 的迭代器是一个原生指针，大小为 4 字节；list 的迭代器是一个类封装了一个节点指针，大小也是 4 字节，物理上没什么区别。

    list 的迭代器之所以要定义成自定义类型，是因为原生指针无法直接做到像指针一样的行为，所以需要用自定义的类把原生指针封装起来，然后在类中定义一些运算符重载函数，使得这个自定义类型的对象通过调用这些函数，从而可以做到像指针一样的行为。

    我们在物理上可以看到，都是存了一个指针，但在运行逻辑上完全不同。

    • vector 迭代器 ++，是一个指针直接 ++ 到下一个位置；
    • list 迭代器 ++，是一个自定义类型的对象调用了 operator++() 函数，在函数内算出下一个位置。

    3、list 的底层结构

    带头双向循环链表结构：

    1. // 带头双向循环链表结构
    2. namespace xyl
    3. {
    4. 	template<class T> // T: 节点中数据的类型
    5. 	class list
    6. 	{
    7. 	public:
    8. 		typedef __list_node Node; // 节点
    9.  
    10. 	public:
    11. 		// 迭代器
    12. 		// iterator是内嵌类型，在list类域里面定义的类型(类中类)
    13. 		// 为啥要typedef呢？为了统一规范名称，所有容器迭代器都叫iterator，用起来更方便
    14.         // 普通迭代器，指明模板参数为 T, T&, T*
    15.         typedef __list_iterator iterator;
    16.         
    17.         // const迭代器，指明模板参数为 T, const T&, const T*
    18.         typedef __list_iteratorconst T&, const T*> const_iterator;
    19.  
    20. 		iterator begin(); // 返回指向第一个有效节点的迭代器
    21. 		iterator end();   // 返回指向头节点的迭代器
    22. 		const_iterator begin() const;
    23. 		const_iterator end() const;
    24.  
    25. 	private:
    26. 		Node* _head; // 头节点指针
    27.  
    28. 	public:
    29. 		// 默认成员函数
    30. 		list(); // 默认构造函数
    31. 		template<class InputIterator>
    32. 		list(InputIterator first, InputIterator last); // 带参构造函数
    33. 		list(const list& lt); // 拷贝构造函数（深拷贝）
    34. 		list& operator=(list lt) // 赋值运算符重载函数（深拷贝）
    35. 		~list(); // 析构函数
    36.  
    37. 		// 容量操作
    38. 		size_t size(); // 有效元素个数
    39. 		bool empty(); // 判空
    40.  
    41. 		// 修改操作
    42. 		iterator insert(iterator pos, const T& data); // 指定迭代器位置之前插入元素
    43. 		iterator erase(iterator pos); // 删除指定迭代器位置的元素
    44. 		void push_back(const T& data);  // 尾插
    45. 		void push_front(const T& data); // 头插
    46. 		void pop_back();  // 尾删
    47. 		void pop_front(); // 头删
    48. 		void clear(); // 清空有效元素
    49. 	};
    50. }

    注意：list 类域中的 __list_iterator 和 __list_iterator 是定义在类内部的类（嵌套类型）。

    用 typedef 重命名为 iterator 和 const_iterator ，目的是为了统一规范迭代器的名称，所有容器的迭代器都叫 iterator 等，用起来更方便。否则每个容器都定义迭代器，如果每个容器迭代器的名字都不一样，那用户的使用成本就太高了。

    1. // 普通迭代器，指明模板参数为 T, T&, T*
    2. typedef __list_iterator iterator;
    3.  
    4. // const迭代器，指明模板参数为 T, const T&, const T*
    5. typedef __list_iteratorconst T&, const T*> const_iterator;

    其中 T 、 T& 、 T* 都是类型参数。当 list 的类型确定了，T 、 T& 、 T* 的类型自动确定，那么 iterator 的类型同时也自动确定了，这看起来就像 iterator 和 list 是共生的一样。有什么样的螺丝就需要什么样的螺丝刀，否则螺丝刀再漂亮，没有对号的螺丝也是没用的。

    4、list 的一些成员函数

    （1）默认成员函数
    a. 构造函数
    1. // 默认构造函数
    2. list()
    3. {
    4.     // 构造头节点，自己指向自己
    5.     _head = new Node;
    6.     _head->_prev = _head;
    7.     _head->_next = _head;
    8. }
    9.  
    10. // 用迭代器区间初始化[first,last)
    11. template<class InputIterator>
    12. list(InputIterator first, InputIterator last)
    13.     :_head(new Node) // 当前对象是一个正在构造的对象，成员变量是随机值，需要进行初始化
    14. {
    15. 	// 建立头节点自身的链接
    16. 	_head->_prev = _head;
    17. 	_head->_next = _head;
    18.         
    19.     // 用迭代器遍历元素，尾插到新容器中
    20. 	while (first != last)
    21. 	{
    22. 		push_back(*first);
    23. 		first++;
    24. 	}
    25. }
    b. 拷贝构造函数（传统写法和现代写法都可以）
    1. //拷贝构造函数(深拷贝--传统写法)
    2. // lt2(lt1)
    3. list(const list& lt)
    4.     :_head(new Node) // 当前对象是一个正在构造的对象，成员变量是随机值，需要进行初始化
    5. {
    6.     // 建立头节点自身的链接
    7.     _head->_prev = _head;
    8.     _head->_next = _head;
    9.  
    10.     // 把lt中所有节点拷贝插入到新容器中
    11.     for (const auto& e : lt)
    12.     {
    13.     	push_back(e);
    14.     }
    15. }
    16.  
    17. // 拷贝构造函数(深拷贝--现代写法)
    18. // lt2(lt1)
    19. list(const list& lt)
    20.     :_head(new Node) // 当前对象是一个正在构造的对象，成员变量是随机值，需要进行初始化
    21. {
    22.     // 建立头节点自身的链接
    23.     _head->_prev = _head;
    24.     _head->_next = _head;
    25.  
    26. 	list tmp(lt.begin(), lt.end());
    27. 	std::swap(_head, tmp._head); // 交换两个容器的内容
    28. }
    c. 赋值运算符重载函数（深拷贝——传统写法）
    1. list& operator=(const list& lt)
    2. {
    3.     if (this != <) // 防止自己给自己赋值
    4.     {
    5.         // 清除当前容器所有有效元素
    6.         clear();
    7.         // 把lt中所有节点拷贝插入到当前容器中
    8.         for (const auto& e : lt)
    9.         {
    10.             push_back(e);
    11.         }
    12.     }
    13.     return *this; // 返回当前容器
    14. }
    d. 赋值运算符重载函数（深拷贝——现代写法）
    1. list& operator=(list lt) // 传值传参，拷贝构造出临时对象
    2. {
    3.     std::swap(_head, lt._head); // 交换两个容器的内容
    4.     return *this; // 返回当前容器
    5. }
    e. 析构函数 
    1. ~list()
    2. {
    3. 	/*
    4.     Node* cur = _head->_next; // 从第一个有效节点开始删除
    5.     while (cur != _head) 
    6.     {
    7.         Node* next = cur->_next; // 先记录下一个节点
    8.         delete cur; // 释放当前节点
    9.         cur = next; // 遍历下一个节点
    10.     }
    11.     delete _head; // 释放头节点
    12.     _head = nullptr;
    13. 	*/
    14.  
    15.     clear();
    16.     delete _head;
    17.     _head = nullptr;
    18. }
    （2）容量操作 
    a. size
    1. // O(N)
    2. size_t size()
    3. {
    4.     size_t n = 0; // 遍历整个链表，统计有效元素个数
    5.     iterator it = begin();
    6.     while (it != end())
    7.     {
    8.         n++;
    9.         it++;
    10.     }
    11.     return n;
    12. }
    b. empty
    1. bool empty()
    2. {
    3.     return begin() == end();
    4. }
    （3）修改操作
    a.  insert

    1. iterator insert(iterator pos, const T& data)
    2. {
    3.     Node* cur = pos._node;   // 当前节点（pos中封装了节点的指针）
    4.     Node* prev = cur->_prev; // 前驱节点
    5.     Node* newnode = new Node(data); // 新节点
    6.  
    7.     // 建立前驱节点和新节点的链接
    8.     prev->_next = newnode;
    9.     newnode->_prev = prev;
    10.  
    11.     // 建立新节点与当前节点的链接
    12.     newnode->_next = cur;
    13.     cur->_prev = newnode;
    14.  
    15.     // 返回指向第一个新插入元素的迭代器
    16.     return iterator(newnode); // 注意：此处调用iterator的构造函数构造出一个匿名对象
    17.     // return newnode; // 也可以这样写，因为单参数的构造函数支持隐式类型的转换
    18. }
    b. erase
    1. iterator erase(iterator pos)
    2. {
    3.     assert(pos != end()); // 不能删除头节点
    4.     Node* cur = pos._node;   // 当前节点
    5.     Node* prev = cur->_prev; // 前驱节点
    6.     Node* next = cur->_next; // 后继节点
    7.  
    8.     // 建立前驱节点与后继节点的链接
    9.     prev->_next = next;
    10.     next->_prev = prev;
    11.  
    12.     // 删除当前节点
    13.     delete cur;
    14.  
    15.     // 返回指向被删除节点的下一个节点的迭代器
    16.     return iterator(next); // 注意：此处调用iterator的构造函数构造出一个匿名对象
    17. }
    c. push_back 和 push_front
    1. void push_back(const T& data) // 尾插
    2. {
    3. 	/*
    4.     Node* newNode = new Node(data); // 构造新节点
    5.     Node* tail = _head->_prev; // 尾节点
    7.     // 建立尾节点和新节点的链接
    8.     tail->_next = newNode;
    9.     newNode->_prev = tail;
    11.     // 建立新节点和头节点的链接
    12.     newNode->_next = _head;
    13.     _head->_prev = newNode;
    14. 	*/
    15.     
    16.     insert(end(), data); // 在头节点的前面插入，相当于是尾插
    17. }
    18.  
    19. void push_front(const T& data) // 头插
    20. {
    21.     insert(begin(), data); // 在第一个有效节点前面插入，相当于是头插
    22. }
    d. pop_back 和 pop_front
    1. void pop_back() // 尾删
    2. {
    3.     erase(--end()); 
    4. }
    5. void pop_front() // 头删
    6. {
    7.     erase(begin()); 
    8. }
    e. clear
    1. void clear()
    2. {
    3. 	/*
    4.     iterator it = begin();
    5.     while (it != end())
    6.     {
    7.         Node* cur = it._node; // 记录当前节点
    8.         it++;                 // 遍历下一个节点
    9.         delete cur;           // 删除当前节点
    10.     }
    12.     // 建立头节点自身的链接
    13.     _head->_next = _head;
    14.     _head->_prev = _head;
    15. 	*/
    16.  
    17.     iterator it = begin();
    18.     while (it != end())
    19.     {
    20.         it = erase(it); // 删除当前节点，返回指向下一个节点的迭代器
    21.     }
    22. }

    【补充】 类模板成员函数的实例化

    编译器进行类模板推演，实例化出一个 list 类，然后再实例化出这个 lt 对象。

    • 类模板中的成员函数都是函数模板。
    • 类模板成员函数的实例化，是按需实例化，只有当程序用到它时才进行实例化。
    • 一个模板，如果没有实例化，编译器是不会去检查它内部的语法的，也不会报错。
    1. void test()
    2. {
    3.     list<int> lt;
    4.     lt.push_back(1); 
    5.     lt.push_back(2);
    6.     lt.push_back(3);
    7.     lt.clear();
    8. }

    四、list与vector的对比

    vector 与 list 都是 STL 中非常重要的序列式容器，由于两个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不同，其主要不同如下：
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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_74531333/article/details/133280769