C++的标准模板库STL中实现的数据结构之链表std::list的分析与使用

摘要

本文主要借助对C++的标准模板库STL中实现的数据结构的学习和使用来加深对数据结构的理解，即联系数据结构的理论分析和具体的应用实现（STL），本文是系列总结的第二篇，主要针对线性表中的链表 STL std::list进行分析和总结。

引言

由于前段时间对台大的机器学习基石和技法课程进行了学习，发现在具体的实现中常常涉及到各种类型的数据结构，比如线性表、二叉树、图等，在使用这些数据结构时感到有些吃力，主要是对一些基本的数据结构理解的不够，所以趁着暑假假期，最近一段时间总会抽空复习一下数据结构，参考的教材是王立柱编著的《C/C++与数据结构》，在具体的应用中采用的是C++标准模板库STL中对应实现的数据结构，主要参考的是MSDN文档。跟着教材的一步一步推进，现在已经复习完了链表一章节，具体的理论可以参看我的博文：http://blog.csdn.net/lg1259156776/article/details/47018813

本次关注点在list模板类的使用。

正文

回顾动态数组类

上一篇总结STL vector动态数组类的时候忘记了对另一种跟vector非常类似的动态数组类deque进行说明。下面对此进行一下补充。

STL deque类需要包含<deque>和使用std，支持在数组的开头和末尾插入或删除元素，而vector只能在末尾插入或删除，即只有push_back和pop_back。deque允许使用push_front和pop_front在开头插入和删除元素。其余的操作大致类似，不再赘述！

template <
   class Type, 
   class Allocator=allocator<Type> 
>
   class deque

<span style="font-size:18px;">// deque_push_front.cpp
// compile with: /EHsc
#include <deque>
#include <iostream>
#include <string>

int main( ) 
{
   using namespace std;
   deque <int> c1;
   
   c1.push_front( 1 );
   if ( c1.size( ) != 0 )
      cout << "First element: " << c1.front( ) << endl;

   c1.push_front( 2 );
   if ( c1.size( ) != 0 )
      cout << "New first element: " << c1.front( ) << endl;

// move initialize a deque of strings
   deque <string> c2;
   string str("a");

   c2.push_front( move( str ) );
   cout << "Moved first element: " << c2.front( ) << endl;
}</span>

总结：在不知道需要存储多少个元素时，务必使用动态数组vector或deque，并牢记vector只能使用push_back在一端扩容，而deque可以使用push_back和push_front在两端扩容。另外，访问动态数组时，不要跨越其边界。

list 模板类

标准模板库以模板类std::list的方式向程序员提供了一个双向链表。双向链表的主要优点是插入和删除元素的速度快，且时间固定，不像顺序表那样需要移动元素。从C++ 11起，还可以使用单向链表std::forward_list，只沿着一个方向遍历。

template <
   class Type, 
   class Allocator=allocator<Type> 
>
class list

list的特点

链表是一系列节点，每个节点除了包含对象或data之外，还包含指向下一个或者上一个节点的指针，list类的STL实现允许在开头、末尾和中间插入元素，且所需的时间固定。使用时包含<list>和std。

list的基本操作

实例化

list<int> listIntegers; list<float> listFloats;等等。要声明一个指向list中元素的迭代器，可以进行如下操作：

list<int> :: const_iterator iElementInSet; 还记得const_iterator吧，在上一篇vector的分析中讲到过，指向一个只读的元素，如果要对容器中的内容进行修改，可以使用iterator来进行。还有一些与vector一样的初始化操作，可以参考上一篇博文，后续关于STL容器进行编程或者讲解时，实例化的方式大致一样，这种模式也将长期出现，后续博文便不再多提。

在list开头或末尾插入或删除元素

跟deque类相似，采用push_front/pop_front和push_back/pop_back的方法。

在list中间插入或删除元素

list的特点之一，上面讲过，在中间插入或删除元素所需的时间是固定的，使用函数insert()和erase()。

从上面的分析看，基本上所有的容器类（vector，list，deque...）所使用的方法模式都类似，这对于触类旁通的学习很有帮助。

list元素的反转和排序

list的一个独到之处就是指向元素的迭代器在list的元素重新排列或插入元素后仍然有效，为实现这种特点，list提供了成员方法sort和reverse，虽然STL也提供了这两种算法（在算法类中<algorithm>），且这些算法同样可以使用在list类上。

使用reverse()反转元素的顺序排列

list提供了成员函数reverse，没有参数，功能是反转list中元素的排列顺序：

<span style="font-size:18px;">// list_reverse.cpp
// compile with: /EHsc
#include <list>
#include <iostream>

int main( ) 
{
   using namespace std;
   list <int> c1;
   list <int>::iterator c1_Iter;
   
   c1.push_back( 10 );
   c1.push_back( 20 );
   c1.push_back( 30 );

   cout << "c1 =";
   for ( c1_Iter = c1.begin( ); c1_Iter != c1.end( ); c1_Iter++ )
      cout << " " << *c1_Iter;
   cout << endl;

   c1.reverse( );
   cout << "Reversed c1 =";
   for ( c1_Iter = c1.begin( ); c1_Iter != c1.end( ); c1_Iter++ )
      cout << " " << *c1_Iter;
   cout << endl;
}</span>

输出结果：

c1 = 10 20 30
Reversed c1 = 30 20 10

使用sort()对元素进行排序

list成员函数sort有两个版本，一是没有参数，默认是升序排列，如果想降序排列，可以升序后采用reverse。另一个版本是接受一个二元谓词函数作为参数，制定排序的标准，比如下面一个二元谓词函数GeaterThan，指定的排序标准是降序排列

bool GeaterThan(const int& lsh, const int& rsh)

{

return(lsh > rsh);

}

<span style="font-size:18px;">// list_sort.cpp
// compile with: /EHsc
#include <list>
#include <iostream>

int main( )
{
   using namespace std;
   list <int> c1;
   list <int>::iterator c1_Iter;
   
   c1.push_back( 20 );
   c1.push_back( 10 );
   c1.push_back( 30 );

   cout << "Before sorting: c1 =";
   for ( c1_Iter = c1.begin( ); c1_Iter != c1.end( ); c1_Iter++ )
      cout << " " << *c1_Iter;
   cout << endl;

   c1.sort( );
   cout << "After sorting c1 =";
   for ( c1_Iter = c1.begin( ); c1_Iter != c1.end( ); c1_Iter++ )
      cout << " " << *c1_Iter;
   cout << endl;

   c1.sort( greater<int>( ) );
   cout << "After sorting with 'greater than' operation, c1 =";
   for ( c1_Iter = c1.begin( ); c1_Iter != c1.end( ); c1_Iter++ )
      cout << " " << *c1_Iter;
   cout << endl;
}</span>

输出为：

Before sorting: c1 = 20 10 30
After sorting c1 = 10 20 30
After sorting with 'greater than' operation, c1 = 30 20 10

对包含对象的list进行排序及删除其中的元素

在实际应用很少使用STL容器来存储整数，而是存储用户自己定义的类型，比如类或结构等。那么这种排序如何做呢?比如list中存储的是电话簿，其中每个元素都是一个对象，包含名称、地址等内容，如何确保能按照名称对其进行排序呢？

答案是采取以下两种方式之一：

<1> 在list包含对应所属的类中，实现运算符<

<2> 提供一个排序二元谓词（一个函数，接受两个输入值，并返回一个bool值，指出第一个值是否比第二个值小）

在实际的sort调用中，首先判断有没有输入二元谓词，如果没有sort函数检查对应的list的对象元素中是否实现了运算符<，如果实现了则按照该运算符指定的排序标准进行排序。如果输入了二元谓词函数，则按照其标准进行排序；

在用remove进行删除的时候也是一样，只需要提供给元素对象中的某一个变量，就可以直接删除所有的对象中该变量值相等的元素。即remove函数需要提供一个匹配标准才行，在对象类中实现==运算符，就是为remove时提供的删除标准。比如电话簿中的名字，在类中实现一个如下所示的重载运算符==

bool operator == (const ContactItem& itemToCompare) const

{

return(itemToCompare.strContactsName == this->strContactsName);

}

forward_list模板类

从c++ 11之后，提供了forward_list来支持单向链表，包含头文件<forward_lsit>，使用方法与list很类似，就好像vector与deque的关系。forward_list只能沿着一个方向移动迭代器，且插入元素的时候只能使用函数push_front()，而不能使用push_back，当然是用insert是可以在指定位置插入元素的。

总结

如果需要频繁的插入和删除元素，尤其是在中间插入或删除，应当使用std::list，而不是使用std::vector，因为在这种情况下vector需要调整内部缓冲区大小，以支持数组语法，还需执行开销高昂的复制操作，而list只需建立或断开链接。

对于使用list等STL容器存储其对象的类，别忘了在其中实现运算符<和==，以提供默认排序的标准和删除谓词。

当无需频繁插入和删除元素时，请不要使用list，使用vector和deque的速度要更快。如果不想根据默认标准进行删除或排序，别忘了给sort和remove提供一个谓词函数。

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2015-7-23