【C++ STL】list 容器（介绍、使用、@迭代器失效、@迭代器的分类与实现方式、模拟实现、list 和 vector 的对比）

一、STL - list 的介绍

文档介绍：list - C++ Reference (cplusplus.com)

1. list 是序列式容器，可以在序列中的任意位置进行常数时间 O(1) 的插入和删除操作，以及双向迭代。
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不同且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：主要区别在于 forward_list 是单链表，因此只能向前迭代，让其更简单高效。
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 中的第 6 个元素，必须从已知的位置（比如头部或者尾部）迭代到该位置，在它们之间的距离上迭代需要线性的时间开销；list 还需要一些额外的空间，以保存每个元素相关联的链接信息（对于存储类型较小元素的大型列表来说这可能是一个重要的因素）

forward_list 实际中用的很少，单链表尾插和尾删效率太低了，尤其是尾删，不实用

/* list
* T: 数据的类型
* Alloc: 空间配置器
*/
template < class T, class Alloc = allocator<T> > class list;

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二、list 的使用

2.1 常见构造

Constructor	接口说明
list ()	构造一个没有元素的空容器，size = 0
list (size_type n, const value_type& val = value_type())	构造一个包含 n 个元素的容器。每个元素都是 val
list (const list& x)	拷贝构造
template list (InputIterator first, InputIterator last);（函数模板）	用迭代器区间 [first, last) 中的元素构造 list

Example：

// constructing lists
#include 
#include 

int main ()
{
  // constructors used in the same order as described above:
  std::list<int> first;                                // empty list of ints
  std::list<int> second (4,100);                       // four ints with value 100
  std::list<int> third (second.begin(),second.end());  // iterating through second
  std::list<int> fourth (third);                       // a copy of third

  // the iterator constructor can also be used to construct from arrays:
  int myints[] = {16,2,77,29};
  std::list<int> fifth (myints, myints + sizeof(myints) / sizeof(int) );

  return 0;
}

2.2 迭代器及其遍历操作

Iterators	接口说明
begin（iterator / const_iterator）	返回指向容器中第一个元素的迭代器
end	返回指向容器中的最后一个元素下一个位置的迭代器（即头节点）
rbegin（reverse_iterator / const_reverse_iterator）	反向迭代器
rend	反向迭代器
范围for	C++11 支持更简介的范围 for 的新遍历方式（底层其实是被替换成迭代器，所以支持迭代器就支持范围 for）

Example：

void test1()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	
	for (auto it = lt.begin(); it != lt.end(); it++)
		cout << *it << " ";
	cout << endl;

	for (auto& e : lt)
		cout << e << " ";
	cout << endl;
}

2.3 容量操作

Capacity	接口说明
empty	判断容器是否为空
size	返回容器中有效元素的个数（需要遍历完链表，时间代价为O(n)）

2.4 访问操作

不支持 [] 运算符，因为 list 容器物理地址不是连续的。

Element access	接口说明
front	返回容器中第一个元素的引用
back	返回容器中最后一个元素的引用

2.5 修改操作

Modifiers	接口说明
push_front	头插，在 list 的第一个元素之前插入一个新元素
pop_front	头删，删除 list 中第一个元素
push_back	尾插，在容器的最后一个元素之后添加一个新元素
pop_back	尾删，删除容器中的最后一个元素
insert	在指定迭代器位置的元素之前插入新元素来扩展容器 插入单个元素：iterator insert (iterator position, const value_type& val);
erase	从列表容器中删除单个元素（迭代器位置）或一系列元素（[first,last)） 删除单个元素：iterator erase (iterator position);
swap	交换两个容器的内容
resize	调整有效元素个数（size），多出的位置用缺省值填充
clear	清空容器中的有效元素，size = 0，并没有清除头节点哦！

注意：list 可以在 任意位置 进行 常数时间 的 插入 和 删除 操作。

insert 函数：

// 返回指向第一个新插入元素的迭代器
iterator insert (iterator position, const value_type& val); // 传值传参

erase 函数：

// 返回指向被删除元素的下一个元素的迭代器，如果操作擦除了序列中的最后一个元素，则这是容器端
iterator erase (iterator position); // 传值传参

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① 迭代器失效（⭐）

思考：使用插入（insert）删除（erase）操作会导致迭代器失效吗？

因为 list 的底层结构为带头双向循环链表，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，其他节点的迭代器不会受到影响。

1. insert 不会导致迭代器失效，因为 list 物理空间不是连续的，是一个个独立节点，pos 始终指向当前节点

2. erase 会导致迭代器失效，因为 pos 指向的节点已经被释放了，pos 指向了非法空间，所以 erase 会返回指向被删除节点的下一个位置的迭代器

   void test1()
   {
   	list<int> lt;
   	lt.push_back(1);
   	lt.push_back(2);
   	lt.push_back(3);
                                                                           
   	auto it = lt.begin();
   	while (it != lt.end())
   		it = lt.erase(it); // 想要使用迭代器继续访问list，需要给 it 重新赋值
   };
   

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② 成员 / 非成员 swap 函数

拓展：关于 swap 函数，标准容器中的成员函数 swap 和库中的非成员函数 std::swap 效率对比

• string、vector、list 等容器都有自己的 swap 成员函数，如果要交换两个容器的内容，尽量使用这个容器自己的 swap 成员函数，而不是使用非成员 std::swap 函数。

• 注意：非成员 std::swap 函数，可能不是交换存储大量数据的类的内容的最有效方式，因为这些操作中的每一个通常在其大小上以线性时间操作。大数据类型可以提供此函数的重载版本，以优化其性能。值得注意的是，所有标准容器都以这样一种方式对其进行了专门化（重载），即只交换少数内部指针而不是它们的全部内容，从而使它们在恒定时间内运行。

• 样例：

  void test2()
  {
  	list<int> lt1;
  	lt1.push_back(1);
  	lt1.push_back(2);
  	lt1.push_back(3);
  
  	list<int> lt2;
  	lt2.push_back(10);
  	lt2.push_back(20);
  	
      // cpp98版本情况下
  	lt1.swap(lt2);
  	std::swap(lt1, lt2); // 非成员std::swap函数，不建议使用，运行效率低
  }
  

  非成员函数 std::swap 为什么运行效率很低呢？（C++98版本），因为它是深拷贝式的交换。

  而成员函数 list::swap 只需要交换成员变量头指针就可以了。

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2.6 容器操作（了解，用的很少）

Operations	接口说明
sort	对 list 容器中的元素进行排序（注意：这是 list 的成员函数哦），效率很低，链表排序也没有太大的作用和价值。
unique	去重（删除重复值），必须要先排序，才能去完重复值
remove	从容器中移除所有值等于 val 的元素（void remove (const value_type& val);)
reverse	反转容器中元素的顺序
merge	合并排序序列（合并前两个 list 容器都要排好序）

sort 函数：

• void sort(); // 1
  template <class Compare> // 2
    void sort (Compare comp);
  

• 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。

函数默认是排升序（<），如果想要排降序（>），需要传仿函数，比如：

void test3()
{
    int arr[] = { 10,2,5 };
	list<int> lt(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));
	// > 排降序
    // 写法一：
	greater<int> g; // 类模板，在头文件中
	lt.sort(g);
    // 写法二：
	lt.sort(greater<int>()); // 匿名对象 
	// lt: 10 5 2    
}

unique 函数：

void test4()
{
    int arr[] = { 2,4,3,2,4 };
	list<int> lt(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));
	lt.sort();   // 去重前，必须要先排序
	lt.unique(); // 去除重复值
    // lt: 2 3 4
}

remove 函数：

void test5()
{
	int arr[] = { 1,2,3,3,4 };
	list<int> lt(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));
	lt.remove(3); // lt: 1 2 4
}

reverse 函数：

void test6()
{
	int arr[] = { 1,2,3,4,5 };
	list<int> lt(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));
    lt.reverse(); // rlt: 5 4 3 2 1
}

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三、容器迭代器（重要）

3.1 容器迭代器的分类（⭐重要）

• 从使用功能角度：正向 / 反向 + const

• 从容器底层结构角度：单向迭代器、双向迭代器、随机访问迭代器

  • 单向（Unidirectional Iterator）：单链表 forward_list、哈希表 unordered_set/map 迭代器，可以 ++
  • 双向（Bidirectional Iterator）：双向链表 list、红黑树 set/map 迭代器，可以 ++ / –
  • 随机（Random Access Iterator）：string、vector、deque 迭代器，一般容器的底层都是连续的数组，可以 ++ / – / + / -
  • 单向 <-- 双向 <-- 随机

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。

我们来看看 stl_iterator 源码中对于迭代器的分类：

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3.2 迭代器的实现方式分析（⭐重要）

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。

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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：

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

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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：

  • 指针可以解引用，则迭代器的类中必须重载 operator*()
  • 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->()
  • 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 –
  • 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载 operator==() 与 operator!=()

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四、stl_list 源码剖析

4.1 list 的底层结构

SGI 版本 STL 中 list 部分源码：

// 链表节点结构
template <class T>
struct __list_node {
  typedef void* void_pointer;
  void_pointer next;
  void_pointer prev;
  T data;
};

// 迭代器 -- 一个类封装了节点指针
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator {
  typedef __list_iterator<T, T&, T*>             iterator;
  typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
  typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr>           self;
  // ...
  typedef Ptr pointer;
  typedef Ref reference;
  // ...
  typedef __list_node<T>* link_type;
  link_type node;                     // 节点指针
  // ...
};

// 带头双向循环链表结构
template <class T, class Alloc = alloc>
class list {
protected:
  typedef __list_node<T> list_node;   // 节点
  // ...
public:      
  typedef T value_type;
  typedef list_node* link_type;       // 节点指针
  // ...
public:
  // 迭代器（这里的iterator和const_iterator是定义在list类域中的内嵌类型）
  typedef __list_iterator<T, T&, T*>             iterator; // 传了T,T&,T*模板参数
  typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator; // 传了T,const T&,const T*模板参数
  // ...
protected:
  link_type node;                     // 成员变量，节点指针
  // ...
};

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五、list 的模拟实现

5.1 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

namespace winter
{
	// 节点结构
	// T: 节点中数据的类型
	template<class T>
	struct __list_node
	{
		T _data;               // 数据域
		__list_node<T>* _prev; // 前驱指针
		__list_node<T>* _next; // 后继指针

		// 默认构造函数，T()是缺省值（T类型的默认构造函数）
		__list_node(const T& data = T())
			:_data(data)
			,_prev(nullptr)
			,_next(nullptr)
		{}
	};
}

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5.2 list 的迭代器（⭐重要）

① 迭代器的结构

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：

namespace winter
{
	/* 迭代器 -- 用一个类去封装了节点的指针
	* 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）
	*/
	template<class T, class Ref, class Ptr>
	struct __list_iterator
	{
		typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self; // 自己这个类型
		typedef __list_node<T> Node; // 节点

		Node* _node; // 节点指针

		// 构造函数
		__list_iterator(Node* node)  // 用节点指针来构造
			:_node(node)
		{}
		
		/*******************************************************/
		// 运算符重载

		// 让迭代器具有像指针一样的行为
		Ref operator*() const;
		Ptr operator->() const;

		// 让迭代器可以移动（双向）
		self& operator++();
		self operator++(int); // 不能用引用返回
		self& operator--();
		self operator--(int); // 不能用引用返回

		// 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
		bool operator==(const self& it);
		bool operator!=(const self& it);
	};
}

迭代器中的运算符重载函数：

让迭代器具有像指针一样的行为，重载 * 和 -> 运算符函数：

这两个运算符重载函数也是实现 普通迭代器 和 const 迭代器 的关键！

// *it 本质是：it.operator*()
Ref operator*() const
{
    // 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
    return _node->_data;

    // 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）
}

// it-> 本质是：it.operator->()
Ptr operator->() const
{ 
    // 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
    return &(_node->_data);
}

让迭代器可以移动（双向），重载 ++ 和 – 运算符函数：

// 这些函数返回的是自己这个类型 __list_iterator 的对象

// ++it 本质是：it.operator++()
self& operator++()
{
    _node = _node->_next;

    return *this; // 返回++后的迭代器
}

// it++ 本质是：it.operator++(0)
self operator++(int) // 不能用引用返回
{
    self tmp(*this);
    _node = _node->_next;

    return tmp; // 返回++前的迭代器
}

// --it 本质是：it.operator--()
self& operator--()
{
    _node = _node->_prev;

    return *this; // 返回--后的迭代器
}

// it-- 本质是：it.operator--(0)
self operator--(int) // 不能用引用返回
{
    self tmp(*this);
    _node = _node->_prev;

    return tmp; // 返回--前的迭代器
}

让两个迭代器可以进行比较，重载 == 和 != 运算符函数：

// 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

bool operator==(const self& it)
{
    return _node == it._node;
}

bool operator!=(const self& it)
{
    return _node != it._node;
}

---

② 一些思考（⭐重要）

思考 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：

// T: 容器中存储的数据的类型
typedef T* iterator;
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

问题：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。

让我们来看看 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&

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思考 2：迭代器遍历 list 中节点的方式

如果迭代器管理的节点中的数据是内置类型：

void test1()
{
    int arr[] = { 1,2,3,4,5 };
    list<int> lt(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(int));

    list<int>::iterator it = lt.begin();
    while (it != lt.end())
    {
        // 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
        cout << *it << " "; // it.operator*()
        ++it;
    }

}

如果迭代器管理的节点中的数据是自定义类型 / 结构体：

struct TreeNode
{
    int _val;
    struct TreeNode* _left;
    struct TreeNode* _right;

    TreeNode(int val = -1)
		:_val(val)
		,_left(nullptr)
		,_right(nullptr)
	{}
};

void test2()
{
    list<TreeNode> lt;
    lt.push_back(TreeNode(1));
    lt.push_back(TreeNode(2));
    lt.push_back(TreeNode(3));

    list<TreeNode>::iterator it = lt.begin();
    while (it != lt.end())
    {
        /* 错误写法：
		* 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
		* TreeNode结构体中存储的数据 _val 是不能直接输出出来的
		* 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);
		*/
        // cout << *it << " "; // error!!!

        /* 正确写法1：
		* 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
		* 然后用'.'再去访问 TreeNode 结构体中存储的数据 _val
		*/
        cout << (*it)._val << " ";

        /* 正确写法2：
		* 调用 operator->() 函数
		* 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*
		* 然后该指针再使用'->'访问结构体中存储的数据 _val
		* 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
		*/
        // 注意：一般结构体的指针才会使用'->'来访问成员
        // 当迭代器管理的节点中的数据是结构体的时候，就可以用'->'
        cout << it->_val << " "; // 这种写法常用

        it++;
    }
}

---

思考 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。

---

思考 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，物理上没啥区别。

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；

而 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。

我们可以看到类型的力量，C++ 的类，运算符重载的能力是非常强大滴。

---

5.3 list 的底层结构

带头双向循环链表结构：

namespace winter
{
	// 带头双向循环链表结构
	// T: 节点中数据的类型
	template<class T>
	class list
	{
	public:
		typedef __list_node<T> Node; // 节点

	public:
		/*******************************************************/
		// 迭代器
		// iterator是内嵌类型，在list类域里面定义的类型（类中类）
		// 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

        // 普通迭代器，指明模板参数为 T, T&, T*
        typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
        
        // const迭代器，指明模板参数为 T, const T&, const T*
        typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

		iterator begin(); // 返回指向第一个有效节点的迭代器
		iterator end();   // 返回指向头节点的迭代器
		const_iterator begin() const;
		const_iterator end() const;

	private:
		Node* _head; // 头节点指针

	public:
		/*******************************************************/
		// 默认成员函数

		list(); // 默认构造函数
		template<class InputIterator>
		list(InputIterator first, InputIterator last); // 带参构造函数
		list(const list<T>& lt); // 拷贝构造函数（深拷贝）
		list<T>& operator=(list<T> lt) // 赋值运算符重载函数（深拷贝）
		~list(); // 析构函数

		/*******************************************************/
		// 容量操作

		size_t size(); // 有效元素个数
		bool empty(); // 判空

		/*******************************************************/
		// 修改操作

		iterator insert(iterator pos, const T& data); // 指定迭代器位置之前插入元素
		iterator erase(iterator pos); // 删除指定迭代器位置的元素
		void push_back(const T& data);  // 尾插
		void push_front(const T& data); // 头插
		void pop_back();  // 尾删
		void pop_front(); // 头删
		void clear(); // 清空有效元素
	};
}

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。要不然，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，那用户使用起来成本太高了。

// 普通迭代器，指明模板参数为 T, T&, T*
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;

// const迭代器，指明模板参数为 T, const T&, const T*
typedef __list_iterator<T, const 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。

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5.4 list 的一些成员函数

① 默认成员函数

构造函数：

// 默认构造函数
list()
{
    // 构造头节点，自己指向自己
    _head = new Node;
    _head->_prev = _head;
    _head->_next = _head;
}

// 用迭代器区间初始化[first,last)
template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
    :_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
{
	// 建立头节点自身的链接
	_head->_prev = _head;
	_head->_next = _head;
        
    // 用迭代器遍历元素，尾插到新容器中
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		first++;
	}
}

拷贝构造函数：传统写法和现代写法都可以

//拷贝构造函数（深拷贝），传统写法
// lt2(lt1)
list(const list<T>& lt)
    :_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
{
    // 建立头节点自身的链接
    _head->_prev = _head;
    _head->_next = _head;

    // 把lt中所有节点拷贝插入到新容器中
    for (const auto& e : lt)
    {
    	push_back(e);
    }
}

// 拷贝构造函数（深拷贝），现代写法
// lt2(lt1)
list(const list<T>& lt)
    :_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
{
    // 建立头节点自身的链接
    _head->_prev = _head;
    _head->_next = _head;

	list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
	std::swap(_head, tmp._head); // 交换两个容器的内容
}

赋值运算符重载函数（深拷贝），传统写法

list<T>& operator=(const list<T>& lt)
{
    if (this != &lt) // 防止自己给自己赋值
    {
        // 清除当前容器所有有效元素
        clear();

        // 把lt中所有节点拷贝插入到当前容器中
        for (const auto& e : lt)
        {
            push_back(e);
        }
    }

    return *this; // 返回当前容器
}

赋值运算符重载函数（深拷贝），现代写法（赋值重载一般都是推荐现代写法，很方便，也很香）

list<T>& operator=(list<T> lt) // 传值传参，拷贝构造出临时对象
{
    std::swap(_head, lt._head); // 交换两个容器的内容

    return *this; // 返回当前容器
}

析构函数：

~list()
{
	/*
    Node* cur = _head->_next; // 从第一个有效节点开始删除

    while (cur != _head) 
    {
        Node* next = cur->_next; // 先记录下一个节点

        delete cur; // 释放当前节点

        cur = next; // 遍历下一个节点
    }

    delete _head; // 释放头节点
    _head = nullptr;
	*/

    /* 复用 clear 函数的代码 */

    clear();
    delete _head;
    _head = nullptr;
}

---

② 容量操作

size 函数：统计有效元素个数

size_t size() // 这是一个O(n)的接口，尽量少用
{
    size_t n = 0; // 遍历整个链表，统计有效元素个数

    iterator it = begin();
    while (it != end())
    {
        n++;
        it++;
    }
    return n;
}

empty 函数：判空

bool empty()
{
    return begin() == end();
}

---

③ 修改操作

insert 函数：

iterator insert(iterator pos, const T& data)
{
    Node* cur = pos._node;   // 当前节点（pos中封装了节点的指针）
    Node* prev = cur->_prev; // 前驱节点
    Node* newnode = new Node(data); // 新节点

    // 建立前驱节点和新节点的链接
    prev->_next = newnode;
    newnode->_prev = prev;

    // 建立新节点与当前节点的链接
    newnode->_next = cur;
    cur->_prev = newnode;

    // 返回指向第一个新插入元素的迭代器
    return iterator(newnode); // 注意：此处调用iterator的构造函数构造出一个匿名对象

    // 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
}

erase 函数：

iterator erase(iterator pos)
{
    assert(pos != end()); // 不能删除头节点

    Node* cur = pos._node;   // 当前节点

    Node* prev = cur->_prev; // 前驱节点
    Node* next = cur->_next; // 后继节点

    // 建立前驱节点与后继节点的链接
    prev->_next = next;
    next->_prev = prev;

    // 删除当前节点
    delete cur;

    // 返回指向被删除节点的下一个节点的迭代器
    return iterator(next); // 注意：此处调用iterator的构造函数构造出一个匿名对象
}

push_back 和 push_front 函数：

void push_back(const T& data) // 尾插
{
	/*
    Node* newNode = new Node(data); // 构造新节点

    Node* tail = _head->_prev; // 尾节点

    // 建立尾节点和新节点的链接
    tail->_next = newNode;
    newNode->_prev = tail;

    // 建立新节点和头节点的链接
    newNode->_next = _head;
    _head->_prev = newNode;
	*/

    /* 复用 insert 函数的代码 */
    
    insert(end(), data); // 在头节点的前面插入，相当于是尾插
}

void push_front(const T& data) // 头插
{
    insert(begin(), data); // 在第一个有效节点前面插入，相当于是头插
}

pop_back 和 pop_front 函数：

void pop_back() // 尾删
{
    erase(--end()); 
}

void pop_front() // 头删
{
    erase(begin()); 
}

clear 函数：清空容器中所有有效元素

void clear()
{
	/*
    iterator it = begin();
    while (it != end())
    {
        Node* cur = it._node; // 记录当前节点
        it++;                 // 遍历下一个节点
        delete cur;           // 删除当前节点
    }

    // 建立头节点自身的链接
    _head->_next = _head;
    _head->_prev = _head;
	*/

    iterator it = begin();
    while (it != end())
    {
        it = erase(it); // 删除当前节点，返回指向下一个节点的迭代器
    }
}

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5.5 补充：类模板成员函数的实例化

void test4()
{
    // 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
    list<int> lt;
    lt.push_back(1); 
    lt.push_back(2);
    lt.push_back(3);

    lt.clear();
}

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六、list 和 vector 的对比

list 与 vector 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：

	vector	list
底层结构	动态顺序表，一段连续物理空间	带头结点的双向循环链表
随机访问	支持随机访问，访问某个元素效率 O(1)	不支持随机访问，访问某个元素效率 O(N)
插入和删除	任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间复杂度为 O(N)，插入时有可能需要增容（经过开辟新空间，拷贝元素，释放旧空间等过程），导致效率更低	任意位置插入和删除效率高，不需要搬移元素，时间复杂度为 O(1)
空间利用率	底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利用率高，缓存命中率高	底层节点动态开辟，小节点容易造成内存碎片，空间利用率低，缓存命中率低
迭代器	原生态指针	对原生态指针(节点指针)进行封装
迭代器失效问题	vector 这种以数组形式存储的容器，插入或删除元素会导致当前迭代器和后面所有元素的迭代器失效，因为插入或删除过程中可能会发生扩容，元素挪动，所以要给当前迭代器重新赋值	list 这种以节点形式存储的容器，插入元素不会导致迭代器失效；删除元素时，只会导致当前迭代器失效，其他迭代器不受影响
使用场景	需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率的场景	大量插入和删除操作，不关心随机访问的场景

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