C++ list容器特性双向链表实现原理-C++-PHP中文网

c++kquote>std::list是双向链表，支持O(1)任意位置插入删除，但随机访问为O(n)，内存开销大且缓存不友好；相比vector和deque，它适合频繁中间修改、迭代器稳定的场景，但遍历和访问效率低，需权衡使用。

c++ list容器特性双向链表实现原理

std::list

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在C++标准库中，是一个非常独特且功能强大的容器，其核心特性在于它是一个双向链表。这意味着，它的元素在内存中并非连续存储，每个元素都维护着指向前一个和后一个元素的指针。这种结构赋予了

list

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在任意位置进行常数时间（O(1)）插入和删除操作的能力，但代价是随机访问效率极低，需要线性时间（O(n)）来遍历。在我看来，理解

list

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，就是理解一种内存与性能权衡的哲学。

解决方案

std::list

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的设计哲学，完美地体现了双向链表的优势与局限。它的每一个节点，除了存储实际的数据外，还会额外存储两个指针：一个指向前一个节点，另一个指向后一个节点。这种“手拉手”的连接方式，使得无论列表有多长，只要我们拿到了某个节点的迭代器，就能以极快的速度在其前后插入或删除新节点，因为我们只需要修改少数几个指针的指向，而不需要移动其他任何数据。

想象一下，你有一串珠子，它们之间用线连着。如果你想在中间加一颗新珠子，你只需要剪断一根线，把新珠子接上去，再用另一根线把它和下一颗珠子连起来就行了。整个过程只涉及局部操作。

std::list

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的插入和删除就是这个道理。

然而，这种非连续存储的特性也带来了明显的缺点。如果你想访问第N个元素，

list

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没有办法像数组或

std::vector

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那样，通过简单的地址偏移计算直接跳过去。它必须从头（或从尾）开始，一个接一个地遍历，直到找到目标元素。这使得

list

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在需要频繁随机访问的场景下，性能表现会非常糟糕。

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此外，由于每个元素都带有额外的指针开销，

list

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在存储相同数量的数据时，通常会比

vector

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占用更多的内存。而且，这种分散的内存布局对CPU缓存也非常不友好，因为访问一个元素后，下一个元素很可能在内存的另一个完全不相干的位置，导致CPU无法有效利用缓存预取机制，从而影响整体性能。所以，选择

list

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，往往意味着你对插入删除的效率有极高的要求，并且能够接受随机访问和内存利用率上的牺牲。

C++ list与vector、deque相比，性能差异体现在哪里？

在我看来，

std::list

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、

std::vector

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和

std::deque

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之间的性能差异，是C++容器中最经典也最值得深思的权衡案例。它们各自针对不同的使用场景进行了优化。

std::vector

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是基于动态数组实现的，它的元素在内存中是连续存放的。这意味着它能提供O(1)的随机访问速度，因为访问任何元素都只需要一个简单的指针运算。对CPU缓存来说，这也是最友好的结构，因为它能高效地进行预取。然而，当你在

vector

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的中间插入或删除元素时，为了保持元素的连续性，其后的所有元素都可能需要移动，这会带来O(n)的时间复杂度。更糟糕的是，如果

vector

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的容量不足，它还需要重新分配一块更大的内存，并将所有现有元素复制过去，这又是一个潜在的O(n)操作。所以，

vector

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适合需要频繁随机访问和尾部操作的场景。

std::deque

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（双端队列）可以看作是

vector

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和

list

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的某种折衷。它在逻辑上是连续的，但在物理内存上可能由多个小的

vector

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块组成，并用一个映射表来管理这些块。这使得

deque

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在两端进行插入和删除操作时，通常能保持O(1)的效率（当然，内部块的扩展和收缩可能会有O(n)的边界情况，但通常比

vector

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中间插入/删除要快）。随机访问性能也接近O(1)，但略逊于

vector

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，因为它需要通过映射表进行两次查找。

deque

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的优势在于，它在两端操作和随机访问之间找到了一个不错的平衡点。

回到

std::list

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，它的性能优势在于任意位置的O(1)插入和删除。这一点是

vector

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和

deque

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都无法比拟的。它的迭代器在插入或删除操作后（除了被删除的那个迭代器本身），仍然保持有效，这也是一个非常重要的特性，特别是在需要频繁修改容器内容，同时又依赖迭代器稳定性的复杂算法中。但它的短板也显而易见：O(n)的随机访问速度，以及因为非连续内存布局带来的缓存效率低下。坦白说，如果你的程序需要频繁地通过索引访问元素，或者遍历是主要操作，那么

list

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几乎肯定不是最佳选择。

总结来说：

vector
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: 随机访问快，尾部增删快，中间增删慢，内存连续，缓存友好。
deque
登录后复制
: 两端增删快，随机访问次之，内存非严格连续，缓存友好度介于
```
vector
```
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和
```
list
```
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之间。
list
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: 任意位置增删快，迭代器稳定，随机访问慢，内存分散，缓存不友好，额外指针开销大。

选择哪个容器，完全取决于你的具体需求和操作模式。没有哪个是“最好”的，只有“最适合”的。

C++ list的节点结构具体是怎样的？

要深入理解

std::list

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，就必须探究它的底层节点结构。虽然C++标准并没有强制规定具体的实现细节，但大多数STL实现（比如GNU libstdc++或Microsoft Visual C++的STL）都会采用一种相似的模式：一个包含数据和两个指针的结构体。

通常，一个

std::list

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的节点大致可以抽象成这样：

template <typename T>
struct _List_node {
    T _M_data;              // 存储实际的数据
    _List_node* _M_prev;    // 指向前一个节点的指针
    _List_node* _M_next;    // 指向后一个节点的指针
};

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这里我用了

_M_data

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、

_M_prev

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、

_M_next

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这种带有下划线的命名，这在STL内部实现中很常见，表示它们是私有成员。

_M_data

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就是你放入

list

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的实际元素，比如一个

int

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、一个

std::string

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或者你自定义的类对象。

_M_prev

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和

_M_next

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则是魔法所在，它们是自引用指针，指向同类型的节点。

更巧妙的是，为了简化边界条件（比如空列表、第一个元素、最后一个元素等）的处理，

std::list

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通常会使用一个“哨兵节点”（sentinel node），或者叫“哑节点”。这个节点并不存储任何实际数据，它的作用仅仅是作为链表的头和尾的标记。

想象一个空

list

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，它可能只有一个哨兵节点，这个节点的

_M_prev

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和

_M_next

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都指向它自己。

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[哨兵节点] <-> [哨兵节点]

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当插入第一个元素时，比如

value

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：

[哨兵节点] <-> [value节点] <-> [哨兵节点]

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此时，哨兵节点的

_M_next

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指向

value

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节点，

value

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节点的

_M_prev

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指向哨兵节点；

value

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节点的

_M_next

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指向哨兵节点，哨兵节点的

_M_prev

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指向

value

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节点。这样，无论是

begin()

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（返回哨兵节点的

_M_next

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）还是

end()

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（返回哨兵节点本身），都能通过统一的逻辑来处理。这种设计避免了在每次操作时都去判断“是不是第一个/最后一个元素”的麻烦，极大地简化了链表操作的逻辑。

当你在

list

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中插入一个新元素时，比如在

current_node

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之前插入

new_node

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，实际操作步骤大致是：

```
new_node->_M_next = current_node;
```
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new_node->_M_prev = current_node->_M_prev;

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current_node->_M_prev->_M_next = new_node;

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```
current_node->_M_prev = new_node;
```
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可以看到，整个过程只涉及了四个指针的修改，与链表长度无关，这就是O(1)效率的来源。

C++ list在实际应用中，有哪些常见的陷阱或性能考量？

尽管

std::list

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在特定场景下表现出色，但在实际应用中，它也隐藏着一些不容忽视的陷阱和性能考量，这些往往是初学者容易踩的坑。

1. 糟糕的缓存局部性（Cache Locality）

这绝对是

std::list

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最大的性能杀手之一。由于

list

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的节点在内存中是分散存储的，当程序遍历

list

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时，每次访问一个节点，CPU很可能需要从主内存中加载数据，而不是从快速的CPU缓存中获取。这种“缓存未命中”（cache miss）的代价非常高昂，它会导致CPU频繁等待数据，从而大大降低程序的执行速度。相比之下，

std::vector

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由于其连续存储的特性，在遍历时能很好地利用CPU缓存，性能优势明显。如果你需要频繁遍历容器，即使是简单的迭代，

list

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的性能也可能远低于你的预期。

2. 内存开销大

每个

list

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节点除了存储数据本身，还要额外存储两个指针。在64位系统上，每个指针通常占用8字节。这意味着，如果你存储的是

char

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或

short

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这样的小型数据类型，指针的开销甚至可能比数据本身还要大得多。例如，存储一个

char

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需要1字节，但其节点却可能需要16字节（两个指针）加上对齐开销。对于内存敏感的应用程序，这种额外的开销是不可接受的。

3. 随机访问效率低下

这我们已经提过多次，但它的重要性值得再次强调。如果你需要通过索引（比如

list[5]

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）来访问元素，或者需要频繁地在

list

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中查找特定元素（

std::find

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），那么

list

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的O(n)时间复杂度会让你痛不欲生。对于这些操作，

vector

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或

unordered_map

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map

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等容器会是更好的选择。

std::list::sort()

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的特殊性

std::list

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有一个自己的

sort()

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成员函数，而不是依赖全局的

std::sort()

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算法。这是因为

std::sort()

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通常要求随机访问迭代器，而

list

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只提供双向迭代器。

list

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的

sort()

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实现通常是基于归并排序（merge sort），它利用了链表的O(1)插入删除特性，通过高效地合并子链表来完成排序，避免了数据移动，这在某些情况下可以非常高效。但如果你习惯了

std::sort

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的通用性，可能会忘记

list

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有自己的特殊版本。

5. 何时它真正闪光：

splice

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操作

std::list

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有一个非常强大的操作，叫做

splice

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。这个函数允许你在O(1)的时间复杂度内，将一个

list

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中的一个或多个元素，甚至整个

list

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，移动到另一个

list

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的指定位置，而不需要进行任何内存分配或元素复制。它仅仅是修改了几个指针的指向。这在实现某些高级数据结构（如LruCache、自定义内存池）或者需要高效地在不同队列之间转移元素的场景下，是

vector

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和

deque

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无法比拟的巨大优势。如果你发现你的应用需要频繁地“剪切”和“粘贴”大量元素，那么

std::list

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的

splice

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操作可能会是你的救星。

总而言之，

std::list

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并非一个万金油容器。它是一个高度专业化的工具，专为那些对中间插入/删除效率和迭代器稳定性有极高要求的场景而生。在其他大多数情况下，

std::vector

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或

std::deque

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通常会提供更好的综合性能。选择它，意味着你已经深思熟虑了其优缺点，并且确认其优势能够弥补其劣势。

以上就是C++ list容器特性双向链表实现原理的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！

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C++ list容器特性 双向链表实现原理

解决方案

C++ list与vector、deque相比，性能差异体现在哪里？

C++ list的节点结构具体是怎样的？

C++ list在实际应用中，有哪些常见的陷阱或性能考量？

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C++ list容器特性双向链表实现原理