全面理解：C++中list（双向链表）容器的基础概念与函数解析

list容器的基础概念

在 C++ 标准库中，list 是一种双向链表，允许在任何位置进行快速的插入和删除操作。

以下是一些关于 list 的基本信息。

存储：list 是一种双向链表结构，它不像 vector 或 array 那样提供连续的内存存储。
时间复杂度：list 在链表的开始、结束或中间位置插入和删除元素的时间复杂度是 O(1)。然而，查找元素的时间复杂度是 O(n)。
空间复杂度：由于链表中每个元素都需要额外存储其前后节点的信息，因此 list 相比于使用连续内存的容器（如 vector 或 array）具有更高的空间复杂度。
迭代器失效：当你插入或删除元素时，list 的所有迭代器，包括指向链表开始和结束位置的迭代器，都不会失效。唯一的例外是当你删除一个元素时，指向该元素的迭代器将失效。
元素访问：list 不支持随机访问。要访问 list 中的元素，你必须从链表的开始（或结束）位置遍历到你要访问的位置。因此，list 不提供 operator[] 函数（下标运算符）。

list的函数解析

list有各种各样的成员函数，下面我将以函数的功能对这些函数分一下类，然后按照类别，一一介绍这些函数的用处。

构造函数

list(): 创建一个空的 list
list(n, elem): 创建一个包含 n 个元素的 list，每个元素的值都是 elem
list(begin, end): 创建一个包含 [begin, end) 区间元素的 list

以下是使用这些构造函数创建 std::list 的示例：

#include <iostream>
#include <list>
#include <vector>

int main() {
    // 创建一个空的 list
    std::list<int> list1;

    // 创建一个包含 5 个元素的 list，每个元素的值都是 10
    std::list<int> list2(5, 10);

    // 从 vector 创建 list
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::list<int> list3(vec.begin(), vec.end());

    // 打印 list2
    for(int i : list2) {
        std::cout << i << " ";
    }
    std::cout << "\n";

    // 打印 list3
    for(int i : list3) {
        std::cout << i << " ";
    }

    return 0;
}

元素访问函数

front(): 返回首元素
back(): 返回尾元素

注意：这里是返回的是链表的元素，而不是指向元素的迭代器或指针。

各种迭代器函数

begin(): 返回指向首元素的迭代器
end(): 返回指向尾元素的下一个位置的迭代器
rbegin(): 返回指向尾元素的反向迭代器
rend(): 返回指向首元素的前一个位置的反向迭代器

在这里我想详细讲解一下这个迭代器：

你可以把list的这个这个迭代器，详细成一个高级的指针。
迭代器是一个对象（指针），假如说list里面的节点元素都是一个个的值了话，这个迭代器就是一个指向这个值的一个指针罢了。我们就可以用解引用符 * 去修改这个值。
假如说迭代器指向的这个对象它是一个类，或者是一个结构体，它有成员变量，那你就可以用箭头符 -> 去操作这个对象的成员变量。你可以把这个对象想象成你自己定义的Listnode，你用箭头符去操作它，hh

判断容器容量函数:

empty(): 判断容器是否为空
size(): 返回容器中元素的个数
max_size(): 返回容器能够容纳的最大元素数量

添加操作

insert(position, elem): 在 position 位置前插入一个元素
push_back(elem): 在 list 的尾部添加一个元素
push_front(elem): 在 list 的头部添加一个元素

删除操作

clear(): 删除所有元素
erase(position): 删除 position 位置的元素
pop_back(): 删除 list 尾部的一个元素
pop_front(): 删除 list 头部的一个元素
unique(): 删除所有相邻重复元素
remove_if(predicate): 删除满足条件 predicate 的所有元素
remove(elem): 删除所有值为 elem 的元素

修改容器大小的函数

resize(size, elem): 改变容器的大小，如果需要添加元素，则元素值为 elem

具体讲解一下splice()这个函数

splice() 是list 的一个非常有用的成员函数，它可以高效地将元素从一个列表移到另一个列表,或者从列表的一个位置移动到另一个位置。因为它是重新链接节点指针，不会导致元素内容的复制或移动，所以速度非常快。它一共有三种重载版本。

三种重载版本如下：

void splice (const_iterator position, list& x);
- 将 x 中的所有元素移到当前列表的 position 位置。 x 变为空。
void splice (const_iterator position, list& x, const_iterator i);
- 将 x 中的元素 i 移到当前列表的 position 位置。 i 在 x 中的元素被移除。
void splice (const_iterator position, list& x, const_iterator first, const_iterator last);
- 将 x 中的 [first, last) 区间的元素移到当前列表的 position 位置。这个区间在 x 中的元素被移除。
- 注意：position 和 x 可以指向同一个列表，但 position 不能在 [first, last) 区间内。

下面是使用 splice() 的例子：

#include <iostream>
#include <list>

int main() {
    std::list<int> list1 = {1, 2, 3};
    std::list<int> list2 = {4, 5, 6};

    // move all elements of list2 to list1
    list1.splice(list1.end(), list2);

    std::cout << "list1: ";
    for (int num : list1) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << "\n";

    std::cout << "list2: ";
    for (int num : list2) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << "\n";

    // move back one element from list1 to list2
    list2.splice(list2.begin(), list1, --list1.end());

    std::cout << "list1: ";
    for (int num : list1) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << "\n";

    std::cout << "list2: ";
    for (int num : list2) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << "\n";

    return 0;
}

在这个例子中，我们首先创建了两个列表。然后，我们将 list2 中的所有元素移动到 list1 的尾部。接着，我们将 list1 的最后一个元素移动到 list2 的头部。每次操作后，我们都打印出两个列表的内容。

交换元素的函数

swap(list): 交换两个 list

反转链表函数

reverse(): 反转 list

对链表进行排序的函数

sort(): 排序 list

这是一些使用 list 的示例：

#include <iostream>
#include <list>

int main() {
    std::list<int> numbers;

    // push elements
    numbers.push_back(5);
    numbers.push_back(10);
    numbers.push_front(1);

    // iterate through the list
    for(std::list<int>::iterator it = numbers.begin(); it != numbers.end(); ++it) {
        std::cout << *it << ' ';
    }
    std::cout << '\n';

    // remove an element
    numbers.remove(1);

    for(auto &num : numbers) {
        std::cout << num << ' ';
    }
    std::cout << '\n';

    // sort the list
    numbers.sort();

    for(auto &num : numbers) {
        std::cout << num << ' ';
    }
    std::cout << '\n';

    return 0;
}

这段代码首先创建了一个空的 list，然后在尾部和头部添加了一些元素。然后它通过迭代器遍历 list 并打印每个元素。然后它删除一个元素，并再次打印 list。最后，它对 list 进行排序，并打印排序后的 list。

总结

在C++标准库中，list是一种双向链表，允许在任何位置进行快速的插入和删除操作。list在任何位置插入和删除元素都有相对稳定的性能，而不是依赖于元素在容器中的位置。
我们讨论了list的多种构造函数，包括默认构造函数、初始化列表构造函数、以及从其他容器复制元素的构造函数。
我们也介绍了 splice() 函数，这是一个非常有用的成员函数，它可以高效地将元素从一个列表移到另一个列表。splice()有三种重载版本，它们都不会导致元素内容的复制或移动，而是重新链接节点指针，因此速度非常快。

最后，我们讨论了一些其他的std::list成员函数，包括元素访问、迭代器、容量查询、列表修改和操作等。

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