一篇搞懂C++ STL 单向链表std::forward_list

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前言

C++标准模板库（STL）提供了多种容器类来处理不同的数据结构，其中std::forward_list是用于实现单向链表（Singly Linked List）的容器。与其他容器如std::list、std::vector相比，std::forward_list更为轻量，专为需要快速插入和删除操作、以及内存效率的应用场景而设计。本篇文章将详细介绍std::forward_list的特性、与std::list的区别、所有构造函数和操作函数，并通过示例代码帮助你全面理解这一容器的使用方法。

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什么是std::forward_list

std::forward_list 是C++11引入的单向链表容器。它的设计非常简单，仅包含指向下一个节点的指针，因此与双向链表（std::list）相比，它占用的内存更少。由于其单向链表的性质，std::forward_list 只能高效地在头部进行插入和删除操作，遍历时只能从头到尾单向访问。

std::forward_list与std::list的区别

std::list是双向链表容器，具有指向前后两个节点的指针，因此可以在头部和尾部进行高效的插入和删除操作，并且支持双向遍历。而std::forward_list则仅有一个指向下一个节点的指针，无法进行反向遍历，也无法在尾部高效地插入或删除。

通过一个简单的字符串图可以更清晰地理解这两者的区别：

// std::forward_list（单向链表）
headv
+---+    +---+    +---+
| 1 | -> | 2 | -> | 3 |
+---+    +---+    +---+// std::list（双向链表）
head                 tailv                    ^
+---+    +---+    +---+
| 1 | <->| 2 | <->| 3 |
+---+    +---+    +---+

如图所示，std::forward_list 只能从头到尾进行单向遍历，而std::list 可以在任意方向上遍历，并且更灵活，但代价是更高的内存开销。

std::forward_list的构造函数

1. 默认构造函数
   创建一个空的forward_list容器。

   std::forward_list<int> flist;
   

2. 指定大小的构造函数
   创建一个包含n个默认初始化元素的forward_list。

   std::forward_list<int> flist(5);  // 创建一个包含5个默认值为0的元素的forward_list
   

3. 指定大小和初始值的构造函数
   创建一个包含n个元素，每个元素的值为val。

   std::forward_list<int> flist(5, 10);  // 创建一个包含5个值为10的元素的forward_list
   

4. 区间构造函数
   创建一个forward_list，初始化为迭代器范围[first, last)内的元素。

   std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
   std::forward_list<int> flist(vec.begin(), vec.end());  // 用vector的元素初始化forward_list
   

5. 复制构造函数
   创建一个forward_list，它是另一个forward_list的副本。

   std::forward_list<int> flist1 = {1, 2, 3, 4, 5};
   std::forward_list<int> flist2(flist1);  // 复制flist1
   

6. 移动构造函数
   创建一个forward_list，通过移动另一个forward_list的内容来初始化。

   std::forward_list<int> flist1 = {1, 2, 3, 4, 5};
   std::forward_list<int> flist2(std::move(flist1));  // 移动flist1到flist2
   

std::forward_list的操作函数

1. push_front()
   在链表头部插入元素。

   std::forward_list<int> flist = {2, 3, 4};
   flist.push_front(1);  // flist = {1, 2, 3, 4}
   

2. pop_front()
   删除链表头部的元素。

   std::forward_list<int> flist = {1, 2, 3, 4};
   flist.pop_front();  // flist = {2, 3, 4}
   

3. insert_after()
   在指定位置之后插入元素或元素序列。

   std::forward_list<int> flist = {1, 3, 4};
   auto it = flist.insert_after(flist.begin(), 2);  // 在1之后插入2，flist = {1, 2, 3, 4}
   

4. erase_after()
   删除指定位置之后的元素。

   std::forward_list<int> flist = {1, 2, 3, 4};
   flist.erase_after(flist.begin());  // 删除2，flist = {1, 3, 4}
   

5. front()
   返回链表头部的元素。

   std::forward_list<int> flist = {1, 2, 3, 4};
   int frontElem = flist.front();  // frontElem = 1
   

6. clear()
   清空链表中的所有元素。

   std::forward_list<int> flist = {1, 2, 3, 4};
   flist.clear();  // flist = {}
   

7. empty()
   判断链表是否为空。

   std::forward_list<int> flist;
   bool isEmpty = flist.empty();  // isEmpty = true
   

8. size()
   由于std::forward_list的单向链表特性，它没有直接提供size()函数来获取元素个数。通常你需要手动遍历链表来计算元素的数量：

   std::forward_list<int> flist = {1, 2, 3, 4};
   size_t size = std::distance(flist.begin(), flist.end());  // size = 4
   

示例代码

#include <iostream>
#include <forward_list>
#include <iterator>int main() {// 创建一个单向链表std::forward_list<int> flist = {3, 4, 5};// 在链表头部插入元素flist.push_front(2);  // flist = {2, 3, 4, 5}flist.push_front(1);  // flist = {1, 2, 3, 4, 5}// 插入元素到指定位置后auto it = flist.insert_after(flist.begin(), 6);  // flist = {1, 6, 2, 3, 4, 5}// 删除指定位置后的元素flist.erase_after(flist.begin());  // flist = {1, 2, 3, 4, 5}// 删除头部元素flist.pop_front();  // flist = {2, 3, 4, 5}// 获取链表头部的元素std::cout << "Front element: " << flist.front() << std::endl;  // Front element: 2// 遍历链表并输出每个元素std::cout << "Elements in forward_list: ";for (int n : flist) {std::cout << n << " ";}std::cout << std::endl;// 计算链表中的元素个数size_t size = std::distance(flist.begin(), flist.end());std::cout << "Size of forward_list: " << size << std::endl;  // Size of forward_list: 4// 清空链表flist.clear();std::cout << "Size after clearing: " << std::distance(flist.begin(), flist.end()) << std::endl;  // Size after clearing: 0return 0;
}

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总结

std::forward_list 是一个轻量级的单向链表容器，适用于内存开销敏感的场景，以及需要高效进行

头部插入和删除的场景。尽管它在功能上不如std::list全面，但它的简单性使得它在特定应用中更具优势。通过理解std::forward_list的构造函数和操作函数，并结合实际需求，你可以选择合适的容器来优化程序的性能和内存使用。