Day 26 C++ list容器（链表）

list基本概念

定义

链表（list）是一种物理存储单元上非连续的存储结构，可以将数据进行链式存储，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接实现的。STL中的链表是一个双向循环链表。

结构

链表的组成：链表由一系列结点组。

结点的组成：一个是存储数据元素的数据域，另一个是存储下一个结点地址的指针域

双向迭代器

由于链表的存储方式并不是连续的内存空间，因此链表list中的迭代器只支持前移和后移，属于双向迭代器

优点

• 采用动态存储分配，不会造成内存浪费和溢出
• 链表执行插入和删除操作十分方便，修改指针即可，不需要移动大量元素

缺点

• 链表灵活，但是空间(指针域) 和 时间（遍历）额外耗费较大

> 链表在每个节点都需要存储额外的指针域，会消耗更多的内存空间。此外，由于链表是非连续存储的，访问特定位置的元素需要从头或尾按顺序遍历链表，时间复杂度为O(n)，相对于向量的常数时间访问O(1)，效率较低。

List和vector区别

存储结构

list是一个双向链表，每个节点包含一个值和前后指针；
而vector是一个动态数组，使用连续的内存块来存储元素。

内存管理

由于list使用动态内存分配，可以在任意位置高效地插入和删除元素，但同时会产生额外的指针开销；
而vector使用连续的内存块，尽管插入和删除操作需要移动元素，但内存访问位置更加连续，可以提供更好的缓存性能。

迭代器稳定性

在list中，插入或删除元素不会影响已存在的迭代器的有效性；
而在vector中，当插入或删除元素时，可能会导致迭代器失效，需要重新获取。

随机访问效率

由于vector使用连续的内存块，可以通过索引随机访问元素，并具有较好的性能；
而list为了访问指定位置的元素，需要从头或从尾按顺序遍历链表，效率较低。

在插入和删除频繁的场景下，list可能更适合；
而在需要快速随机访问元素或者容器规模较大的情况下，vector可能更合适。

list构造函数——创建list容器

函数原型

• list<T> lst; //list采用采用模板类实现,对象的默认构造形式：
• list(beg,end); //构造函数将[beg, end)区间中的元素拷贝给本身。
• list(n,elem); //构造函数将n个elem拷贝给本身。
• list(const list &lst); //拷贝构造函数。
  list构造方式同其他几个STL常用容器一致

示例

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

int main() {
    // 示例1：使用默认构造函数创建空的list
    std::list<int> myList1;

    // 示例2：使用迭代器构造函数将数组中的元素拷贝到list中
    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::list<int> myList2(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));

    // 示例3：使用元素数量和元素值构造list
    std::list<int> myList3(3, 10); // 包含三个值为10的元素

    // 示例4：使用拷贝构造函数创建一个副本
    std::list<int> myList4(myList3);

    // 输出list中的元素
    std::cout << "myList1: ";
    for (const auto& element : myList1) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    std::cout << "myList2: ";
    for (const auto& element : myList2) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    std::cout << "myList3: ";
    for (const auto& element : myList3) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    std::cout << "myList4: ";
    for (const auto& element : myList4) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

输出
myList1:
myList2: 1 2 3 4 5
myList3: 10 10 10
myList4: 10 10 10

list 赋值和交换

函数原型

• assign(beg, end); //将[beg, end)区间中的数据拷贝赋值给本身。
• assign(n, elem); //将n个elem拷贝赋值给本身。
• list& operator=(const list &lst); //重载等号操作符
• swap(lst); //将lst与本身的元素互换。

示例：

#include <iostream>
#include <list>

int main() {
    std::list<int> myList1 = {1, 2, 3};
    std::list<int> myList2 = {4, 5, 6};

    std::cout << "Before swap:" << std::endl;
    std::cout << "myList1: ";
    for (const auto& element : myList1) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    std::cout << "myList2: ";
    for (const auto& element : myList2) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 使用swap函数交换两个list的元素
    myList1.swap(myList2);

    std::cout << "After swap:" << std::endl;
    std::cout << "myList1: ";
    for (const auto& element : myList1) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    std::cout << "myList2: ";
    for (const auto& element : myList2) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

输出
Before swap:
myList1: 1 2 3
myList2: 4 5 6
After swap:
myList1: 4 5 6
myList2: 1 2 3

list 大小操作

函数原型

• size(); //返回容器中元素的个数

• empty(); //判断容器是否为空

• resize(num); //重新指定容器的长度为num，若容器变长，则以默认值0填充新位置。

  ​ //如果容器变短，则末尾超出容器长度的元素被删除。

• resize(num, elem); //重新指定容器的长度为num，若容器变长，则以elem值填充新位置。

  //如果容器变短，则末尾超出容器长度的元素被删除。

示例

#include <iostream>
#include <list>

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

    // 使用size函数获取容器中元素的个数
    std::cout << "Size of myList: " << myList.size() << std::endl;

    // 使用empty函数判断容器是否为空
    if (myList.empty()) {
        std::cout << "myList is empty." << std::endl;
    } else {
        std::cout << "myList is not empty." << std::endl;
    }

    // 使用resize函数改变容器的长度为7，默认填充0
    myList.resize(7);
    std::cout << "myList after resize to size 7 with default value:" << std::endl;
    for (const auto& element : myList) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 使用resize函数改变容器的长度为10，使用值9填充新位置
    myList.resize(10, 9);
    std::cout << "myList after resize to size 10 with value 9:" << std::endl;
    for (const auto& element : myList) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 使用resize函数将容器的长度改为3
    myList.resize(3);
    std::cout << "myList after resize to size 3:" << std::endl;
    for (const auto& element : myList) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

输出
Size of myList: 5
myList is not empty.
myList after resize to size 7 with default value:
1 2 3 4 5 0 0
myList after resize to size 10 with value 9:
1 2 3 4 5 0 0 9 9 9
myList after resize to size 3:
1 2 3

在示例中，我们创建了一个list对象myList并初始化它的元素。
然后，我们使用size函数输出容器的大小，使用empty函数判断容器是否为空。
接着，我们使用resize函数将容器的大小分别改变为7、10和3。
当容器变大时，新位置会用默认值0或指定的值9进行填充；
当容器变小时，末尾超出容器长度的元素会被删除。最终，我们打印出修改后的容器内容

list 插入和删除

函数原型

• push_back(elem);//在容器尾部加入一个元素
• pop_back();//删除容器中最后一个元素
• push_front(elem);//在容器开头插入一个元素
• pop_front();//从容器开头移除第一个元素
• insert(pos,elem);//在pos位置插elem元素的拷贝，返回新数据的位置。
• insert(pos,n,elem);//在pos位置插入n个elem数据，无返回值。
• insert(pos,beg,end);//在pos位置插入[beg,end)区间的数据，无返回值。
• clear();//移除容器的所有数据
• erase(beg,end);//删除[beg,end)区间的数据，返回下一个数据的位置。
• erase(pos);//删除pos位置的数据，返回下一个数据的位置。
• remove(elem);//删除容器中所有与elem值匹配的元素。

注意
插入多个数据无返回值，删除返回下一个数据位置
beg end 均为迭代器

示例

#include <iostream>
#include <list>

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

    std::cout << "Initial myList:" << std::endl;
    for (const auto& element : myList) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 在容器尾部加入一个元素
    myList.push_back(6);

    // 删除容器中最后一个元素
    myList.pop_back();

    // 在容器开头插入一个元素
    myList.push_front(0);

    // 从容器开头移除第一个元素
    myList.pop_front();

    // 在指定位置插入元素的拷贝
    auto it = myList.begin();
    std::advance(it, 2);
    myList.insert(it, 7);

    // 在指定位置插入多个相同元素
    it = myList.begin();
    std::advance(it, 3);
    myList.insert(it, 3, 8);

    // 在指定位置插入另一个区间的元素
    std::list<int> newElements = {9, 10};
    it = myList.begin();
    std::advance(it, 4);
    myList.insert(it, newElements.begin(), newElements.end());

    std::cout << "myList after modifications:" << std::endl;
    for (const auto& element : myList) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 移除容器的所有数据
    myList.clear();

    std::cout << "myList after clear:" << std::endl;
    if (myList.empty()) {
        std::cout << "myList is empty." << std::endl;
    } else {
        std::cout << "myList is not empty." << std::endl;
    }

    return 0;
}

list 数据存取

函数原型

• front(); //返回第一个元素。
• back(); //返回最后一个元素。

​

注意

list容器的迭代器是双向迭代器，不支持随机访问，没有索引，不能跳跃访问 ，也不可以通过[]或者at方式访问数据

示例

#include <list>

//数据存取
void test01()
{
	list<int>L1;
	L1.push_back(10);
	L1.push_back(20);
	L1.push_back(30);
	L1.push_back(40);

	
	//cout << L1.at(0) << endl;//错误 不支持at访问数据
	//cout << L1[0] << endl; //错误  不支持[]方式访问数据
	cout << "第一个元素为： " << L1.front() << endl;
	cout << "最后一个元素为： " << L1.back() << endl;

	//list容器的迭代器是双向迭代器，不支持随机访问
	list<int>::iterator it = L1.begin();
	//it = it + 1;//错误，不可以跳跃访问，即使是+1
}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

list 反转和排序

函数原型

• reverse(); //反转链表
• sort(); //链表排序 //默认的排序规则 从小到大 升序

示例

#include <iostream>
#include <list>

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

    // 反转链表
    myList.reverse();
    std::cout << "Reversed list: ";
    for (const auto& element : myList) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 链表排序
    myList.sort();
    std::cout << "Sorted list: ";
    for (const auto& element : myList) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

输出
Reversed list: 3 1 4 2 5
Sorted list: 1 2 3 4 5

高级排序——在排序规则上再进行一次逻辑规则制定

• 对于自定义数据类型，必须要指定排序规则，否则编译器不知道如何进行排序
• 高级排序只是在排序规则上再进行一次逻辑规则制定，并不复杂

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

struct Student {
    std::string name;
    int age;
    int score;
};

bool compareStudents(const Student& student1, const Student& student2) {
    // 先按分数降序排序
    if (student1.score != student2.score) {
        return student1.score > student2.score;
    }

    // 如果分数相同，则按年龄升序排序
    if (student1.age != student2.age) {
        return student1.age < student2.age;
    }

    // 如果分数和年龄都相同，则按姓名的字典序升序排序
    return student1.name < student2.name;
}

int main() {
    // 创建学生对象
    std::vector<Student> students = {
   
   {"Alice", 20, 90}, {"Bob", 18, 85}, {"Charlie", 19, 90}};

    // 使用自定义的排序规则对学生进行排序
    std::sort(students.begin(), students.end(), compareStudents);

    // 输出排序结果
    for (const auto& student : students) {
        std::cout << "Name: " << student.name << ", Age: " << student.age << ", Score: " << student.score << std::endl;
    }

    return 0;
}

首先，我们定义了一个名为Student的结构体，包含学生的姓名、年龄和分数。
接下来，我们实现了一个名为compareStudents的自定义比较函数。
该函数根据学生的分数、年龄和姓名进行排序。
首先按照分数降序排序，如果分数相同，则按照年龄升序排序，最后按照姓名的字典序升序排序。
在主函数中，我们创建了一个存储学生对象的vector，并初始化了几个学生对象。
然后，我们使用std::sort函数对学生对象进行排序，传入自定义的比较函数作为参数。
最后，我们遍历排序后的学生对象，并输出姓名、年龄和分数。