前言： 在STL中，list是一种双向链表，它支持在序列的任何位置进行快速插入和删除操作。与此同时，迭代器是STL中非常重要的一个概念，它使得我们能够以统一的方式遍历和访问STL容器中的元素。在深入了解STL的过程中，模拟实现list和迭代器无疑是一个极有价值的学习过程。
本节我们将从基本的链表结构开始，逐步构建出完整的list类，并实现相应的迭代器类。
📒1. list的基本结构
list是一个个带头双向循环链表，这意味着每个元素（通常称为节点）都有两个指针：一个指向前一个元素，另一个指向后一个元素，因此我们需要单独再定义一个类来表示节点结构，每个节点再串联起来构成list
节点定义（示例）：
template<class T> struct list_node { T _data; list_node<T>* _next; list_node<T>* _prev; list_node(const T& x = T()) :_data(x) ,_next(nullptr) ,_prev(nullptr) {} };
而在构建list时，我们成员变量只需要一个头节点。
list定义（示例）：
template<class T> struct list { typedef list_node<T> Node; public: // 构造函数等可能的其他成员函数... private: Node* _head; };
📕2. list的模拟实现
注意：关于
erase和insert这两个函数的模拟我们依然作为补充放在末尾
🌈构造函数
在拥有一个list我们只需要将它的头节点初始化一下
list构造（示例）：
void empty_init() { _head = new Node; _head->_prev = _head; _head->_next = _head; } // 无参构造 list() { empty_init(); }
🌞析构函数
关于析构函数，我们需要的是将所有节点一 一释放就ok啦!
在模拟析构函数之前，不得不先介绍一下clear这个函数，因为clear可以删除出头节点以外的所有节点，我们可以利用这一点帮助我们优化析构函数
list析构（示例）：
void clear() { // 依次清除节点 itetator it = begin(); // 稍后会提到迭代器的模拟 while(it != end()) { it = erase(it); } } ~list() { clear(); // 删除出头节点以外的所有节点 delete _head; // 单独删除一下头节点 _head = nullptr; }
🌙拷贝构造函数
在学习list时，我们发现list不会因为空间不够而需要扩容，因此在使用模拟list时，不用考虑是否会发生浅拷贝
list拷贝构造函数（示例）：
//list(const list<T>& lt) list(list<T>& lt) // 还未实现const迭代器，先使用常规的 { empty_init(); for (auto e : lt) { push_back(e); // push_back的实现其实是复用insert，文末有补充 } }
⭐赋值运算符重载
这里我们以让后传统写法和现代写法两种方法
list赋值运算符重载（示例）：
// 传统写法 list<T>& operator=(const list<T>& lt) { clear(); // 先将原来的list清空 for (auto e : lt) { push_back(e); } return *this; } // 现代写法 void swap(list<T>& tmp) { std::swap(_head, tmp._head); } list<T>& operator=(list<T> lt) { swap(lt); return *this; }
在介绍完list基本的结构后，让我们来看看今天的重点：迭代器
📚3. list的迭代器
在我们模拟实现string，vector时，我们认为迭代器就是一个原生指针，但是在list中迭代器底层不是简单的指针，因此我们要独立定义一个新的类
🍂迭代器的基本结构
迭代器定义（示例）：
template<class T> struct __list_iterator { typedef list_node<T> Node; typedef __list_iterator<T> self; Node* _node; // 构造函数 __list_iterator(Node* node) :_node(node) {} };
我们将迭代器单独写作一个类，能解决更多的问题，以及避免其他麻烦
🍁迭代器的运算符重载
因为这些函数和前面差不太多，我们简单看看代码，带过了
代码（示例）：
self& operator++() // 前置++ { _node = _node->_next; return *this; } self& operator--() // 前置-- { _node = _node->_prev; return *this; } self operator++(int) // 后置++ { self tmp(*this); _node = _node->_next; return &tmp; } self operator--(int) // 后置-- { self tmp(*this); _node = _node->_prev; return &tmp; } bool operator!=(const self& tmp) { return _node != tmp._node; } bool operator-=(const self& tmp) { return _node -= tmp._node; }
而今天着重要强调以下两个运算符重载，因为const和非const下这两个是有区别的：
//可读写 T& operator*() { return _node->_data; } //可读写 T* operator->() { return &_node->_data; } // it.operator->()-> 编译器帮我们省略了一个箭头-> it->
在定义完迭代器类之后，我们可以实现begin()和end()来实现list的范围for
🌸list的迭代器
迭代器代码（示例）：
template<class T> struct list { typedef list_node<T> Node; public: typedef __list_iterator<T> iterator; iterator begin() { //return iterator(_head->_next); // 匿名对象 return _head->next; } iterator end() { //return iterator(_head); // 匿名对象 return _head; } private: Node* _head; };
当然我们这里还没有实现const迭代器很多需要调用const对象的函数还无法使用，那么接下来让我们来模拟实现const迭代器，见证新的神奇
📙4. list的const迭代器
关于这个list的const迭代器其实有两种写法，常规的写法就是在定义一个新的const迭代器的类，虽然这样可以解决问题，但是会造成代码的冗余，让操作繁琐。而另一种方法就是在原有的迭代器类上进行修改，让它能具有两个迭代器都能使用的特点
🎩方法一
const迭代器实现（示例）：
template<class T> struct __list_const_iterator { typedef list_node<T> Node; typedef __list_const_iterator<T> self; Node* _node; // 构造函数 __list_const_iterator(Node* node) :_node(node) {} //可读不可写 const T& operator*() { return _node->_data; } //可读不可写 const T* operator->() { return &_node->_data; } // 可能的其他成员函数... };
🎈方法二
如果我们将这两个差异的内容单独表示出来归于模板中，因为在const与非const之间，无非就是T&，T*上能否读写的区别，不影响其他的函数实现，因此我们可以在模板上加上两个参数
| 模板参数 | 实例化类型 |
| Ref | T&，(const 变量时) const T& |
| Ptr | T*，(const 变量时) const T* |
const迭代器实现（示例）：
// 用一个模板来解决 const与非const template<class T, class Ref, class Ptr> struct __list_iterator { typedef list_node<T> Node; // 会实例化成最匹配的 typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self; Node* _node; // 构造函数 __list_iterator(Node* node) :_node(node) {} Ref operator*() { return _node->_data; } Ptr operator->() { return &_node->_data; } // 可能的其他成员函数... }; template<class T> struct list { typedef list_node<T> Node; public: typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator; typedef __list_const_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator; iterator begin() { return _head->next; } iterator end() { return _head; } const_iterator begin() const { return _head->next; } const_iterator end() const { return _head; } private: Node* _head; };
关于list的模拟实现我们就讲到这里，让我看看如何以统一的方式遍历和访问STL容器中的元素
📜5. 统一的方式访问STL容器中的元素
在完成对list的模拟实现后，我们试着用来遍历和访问list中的元素
代码实现（示例）：
void print_list(const list<int>& lt) { // list<T>没有实例化话，就并不能去遍历寻找 // 编译器不知道 list<T>::const_iterator 是内嵌类型，还是静态成员变量 list<int>::const_iterator it = lt.begin(); while (it != lt.end()) { cout << *it << " "; ++it; } } void test_list() { list<int> lt; lt.push_back(1); lt.push_back(2); print_list(lt); cout << endl; }
编译器不知道 list::const_iterator 是内嵌类型，还是静态成员变量，但是如果实例化成int后，有需要一个成员是string的列表这时我们有犯难了，这时我们就要用到typename，typename 就是告诉编译器，这是一个类型，等list实例化之后再去取
代码实现（示例）：
template<typename T> void print_list(const list<T>& lt) { ...... // typename 就是告诉编译器，这是一个类型，等list实例化之后再去取 typename list<T>::const_iterator it = lt.begin(); ...... }
但是更离谱的来了，这时又有人要求我们打印vector的值，容器都换了我们该怎么办呢？这时模板的作用又双体现出来了，这也体现了模板的本质，让我们能省的活交给编译器完成
代码实现（示例）：
// 这里直接搞了一个Container来适配容器 template<typename Container> void print_container(const Container& con) { typename Container::const_iterator it = con.begin(); while (it != con.end()) { cout << *it << " "; ++it; } }
它使得我们能够以统一的方式遍历和访问STL容器中的元素
📔6. list与vector的对比
我们可以发现list与之前学的竟然有那么多的差异，我们结合上节学的vector来分析一下它们的差异：vector与list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
| vector | list |
| 底 层 结 构 | 动态顺序表，一段连续空间 | 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， | 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，缓存利用率高 | 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，缓存利用率低 |
| 迭 代 器 | 插入删除时触发条件会导致迭代器失效 | 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 | 大量插入和删除操作，不关心随机访问 |
📖7. 总结补充
💧补充：insert和erase的模拟实现
代码实现（示例）：
// insert会返回插入位置的一个迭代器 iterator insert(iterator pos, const T& x) { Node* newnode = new Node(x); Node* cur = pos._node; Node* prev = cur->_prev; prev->_next = newnode; newnode->_prev = prev; cur->_prev = newnode; newnode->_next = cur; return iterator(newnode); // 匿名对象 } // erase会返回删除位置的next节点的迭代器 iterator erase(iterator pos) { Node* cur = pos._node; Node* prev = cur->_prev; Node* next = cur->_next; delete cur; prev->_next = next->_prev; next->_prev = prev->_next; return iterator(next); // 匿名对象 } // erase和insert的复用 void push_back(const T& x) // 尾插 { insert(end(), x); } void push_front(const T& x) // 头插 { insert(begin(), x); } void pop_back() // 尾删 { erase(end()); } void pop_front() // 头删 { erase(begin()); }
🔥总结
通过本次对STL中list和迭代器模拟实现的探索，我们深入了解了双向链表的基本结构、操作原理以及迭代器在遍历和访问链表元素中的重要作用。模拟实现的过程不仅让我们对STL中的list容器有了更深刻的理解，也锻炼了我们的编程能力和解决问题的能力
- 在模拟实现的过程中，我们学习了如何设计并实现一个双向链表结构，包括节点的定义、链表的插入、删除和遍历等操作。同时，我们也掌握了迭代器的基本概念和实现方法，理解了如何通过迭代器来统一访问和遍历不同的容器类型。
- 模拟实现STL中的list和迭代器是一个既有趣又富有挑战性的过程。它让我们更加深入地理解了数据结构和算法的基本原理，也为我们日后在实际项目中高效应用STL容器打下了坚实的基础。
最后，感谢大家的耐心阅读和学习。希望本次介绍能够为大家在STL学习和编程实践中提供一些帮助和启示。在未来的学习和工作中，让我们继续深入探索STL的奥秘，不断提升自己的编程能力和解决问题的能力
谢谢大家支持本篇到这里就结束了，祝大家天天开心！
