从零实现 list 容器：细粒度剖析与代码实现
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本文详细介绍如何从零开始实现一个 C++ list 容器，帮助读者深入理解 list 的底层实现，包括核心数据结构、迭代器的设计、以及常见的插入、删除等操作。从初学者到进阶开发者都能从中受益。
前言
在 C++ 标准模板库 (STL) 中，list 是一种双向链表容器，适合频繁的插入和删除操作。它与 vector 的主要区别在于 list 不支持随机访问，并且在进行插入、删除操作时无需移动其他元素。这使得 list 在某 些需要大量动态修改元素的场景下具有独特优势，例如链表的插入删除操作具有 O(1) 的时间复杂度。
为了更好地理解 list 的工作原理，本文将从零开始实现一个简化版的 list，并详细分析每个步骤背后的实现原理及其易错点。
1. list 的核心数据结构
在
list的实现中，底层是通过双向链表结构来存储数据。双向链表中的每个节点不仅包含数据，还包含指向前一个节点和后一个节点的两个指针。以下是节点结构的定义：
namespace W { // 定义链表节点 template<class T> struct ListNode { T _val; // 节点存储的值 ListNode* _prev; // 指向前一个节点 ListNode* _next; // 指向后一个节点 ListNode(const T& val = T()) : _val(val), _prev(nullptr), _next(nullptr) {} }; }
1.1节点结构分析：
- _val：存储节点的数据。
- _prev 和 _next：分别指向前一个节点和后一个节点，便于实现双向链表的遍历、插入和删除操作。
该结构简单明了，双向链表的节点可以方便地进行前向和后向操作。接下来我们将实现如何使用该结构构建一个完整的 list 容器。
2. 迭代器设计与实现
2.1 为什么 list 需要迭代器？
在 C++ 中，vector 是一种动态数组，元素在内存中是连续存储的，因此我们可以使用下标快速访问元素，例如 vec[0] 可以直接访问 vector 的第一个元素。而 list 底层是通过链表结构实现的，每个节点在内存中的位置并不连续。因此，链表无法像数组一样通过下标随机访问元素。每个节点都通过指针链接到前一个节点（_prev）和后一个节点（_next）。为了遍历链表，我们需要使用迭代器。
迭代器的作用类似于一个指针，它指向链表中的某个节点，允许我们通过类似指针的方式来访问和操作链表节点。与普通指针不同，迭代器提供了更高级的功能，并且能够保持接口的一致性，因此它成为了 STL 容器中访问元素的核心工具。
2.2 实现一个简单的迭代器
为了实现最基本的链表迭代器，首先我们需要定义链表节点的结构。该结构已经在上文定义了。
接下来，我们将实现 ListIterator，它内部保存一个指向 ListNode 的指针 _node，并支持以下基本操作：
- 解引用操作：通过
*it访问链表节点中的值。 - 前向移动操作：通过
++it访问链表中的下一个节点。 - 比较操作：通过
it != end()判断两个迭代器是否相等。
2.2.1 迭代器代码实现：
namespace W { template<class T> class ListIterator { typedef ListNode<T> Node; // 使用 Node 表示链表节点类型 public: // 构造函数，接受一个指向链表节点的指针 ListIterator(Node* node = nullptr) : _node(node) {} // 解引用操作，返回节点的值 T& operator*() { return _node->_val; } // 前向移动操作，指向下一个节点 ListIterator& operator++() { _node = _node->_next; // 将当前节点移动到下一个节点 return *this; // 返回自身以支持链式调用 } // 比较操作，判断两个迭代器是否相等 bool operator!=(const ListIterator& other) const { return _node != other._node; } private: Node* _node; // 迭代器指向的链表节点 }; }
2.2.2 解释：
- 构造函数：初始化一个指向链表节点的指针
_node，用于遍历链表。 operator*：返回节点存储的值_val。operator++：将迭代器移动到链表中的下一个节点。operator!=：用于判断两个迭代器是否相等。
2.3 测试简单迭代器
为了验证我们刚刚实现的迭代器功能，先创建一些链表节点，并将它们链接成一个链表。然后我们使用迭代器遍历链表并输出每个节点的值。
2.3.1 测试代码：
#include <iostream> int main() { // 创建三个节点，分别存储值 1、2、3 W::ListNode<int> node1(1); W::ListNode<int> node2(2); W::ListNode<int> node3(3); // 链接节点形成链表 node1._next = &node2; // node1 的下一个节点是 node2 node2._prev = &node1; // node2 的前一个节点是 node1 node2._next = &node3; // node2 的下一个节点是 node3 node3._prev = &node2; // node3 的前一个节点是 node2 // 创建迭代器，指向第一个节点 W::ListIterator<int> it(&node1); // 使用迭代器遍历链表并输出每个节点的值 while (it != nullptr) { std::cout << *it << std::endl; // 输出当前节点的值 ++it; // 前向移动到下一个节点 } return 0; }
2.3.2 输出：
1 2 3
2.3.3 解释：
- 迭代器
it初始指向第一个节点node1。 - 通过
*it获取节点的值，并通过++it将迭代器移动到下一个节点，直到链表末尾。
2.4 增加后向移动和 -> 运算符
目前的迭代器只能进行前向移动，而 list 是双向链表，因此我们还需要增加后向移动 (--) 的功能，使迭代器可以从链表末尾向前遍历。同时，为了让迭代器像指针一样操作，我们还需要重载 -> 运算符，以便可以通过 -> 访问链表节点的成员。
2.4.1关键点：
- 当
_val是基本数据类型（如int）时，可以直接通过*it来获取节点的值，而不需要使用*(it->)。虽然*(it->)语法上是正确的，但显得繁琐且不必要。
为什么 *(it->) 是正确的？
因为 it-> 是在调用 operator->()，返回 _val 的指针，然后 *(it->) 解引用该指针。语法上是没有问题的，但通常我们直接使用 *it 更简洁。
- 当
_val是自定义类型时，可以使用it->x直接访问自定义类型的成员变量x。编译器会将it->x优化为it.operator->()->x，让访问更加方便。
2.4.2 增加后向移动和 -> 运算符的实现代码：
namespace W { template<class T> class ListIterator { typedef ListNode<T> Node; public: ListIterator(Node* node = nullptr) : _node(node) {} // 解引用操作，返回节点的值 T& operator*() { return _node->_val; } // 指针操作，返回节点的指针 T* operator->() { return &(_node->_val); } // 前向移动 ListIterator& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } // 后向移动 ListIterator& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; } // 比较操作 bool operator!=(const ListIterator& other) const { return _node != other._node; } private: Node* _node; }; }
2.5 测试前后移动和 -> 运算符
2.5.1 目的：
我们通过一个测试程序验证迭代器的前向和后向移动功能，同时通过
->运算符访问链表节点的值。我们会分别测试基本数据类型int和自定义类型CustomType的场景，展示迭代器在不同数据类型下的使用方式。
2.5.2 测试代码：
- 对于
int类型，我们可以通过*it来访问节点的值，而不需要使用*(it->)，虽然*(it->)也是合法的，但没有必要。
- 对于自定义类型
CustomType，可以通过it->x来访问自定义类型CustomType中的成员变量x。
#include <iostream> struct CustomType { int x; }; int main() { // 创建三个 int 类型的节点，分别存储值 1、2、3 W::ListNode<int> node1(1); W::ListNode<int> node2(2); W::ListNode<int> node3(3); // 链接节点形成链表 node1._next = &node2; node2._prev = &node1; node2._next = &node3; node3._prev = &node2; // 创建迭代器，初始指向第二个节点 W::ListIterator<int> it(&node2); // 对于 int 类型，使用 *it 访问节点的值 std::cout << *it << std::endl; // 输出 2 // 后向移动，指向第一个节点 --it; std::cout << *it << std::endl; // 输出 1 // 前向移动，指向第三个节点 ++it; ++it; std::cout << *it << std::endl; // 输出 3 // 创建自定义类型 CustomType 的节点 W::ListNode<CustomType> customNode1({1}); W::ListNode<CustomType> customNode2({2}); customNode1._next = &customNode2; customNode2._prev = &customNode1; // 创建自定义类型 CustomType 的迭代器 W::ListIterator<CustomType> customIt(&customNode1); // 使用 it-> 访问 CustomType 的成员变量 x std::cout << customIt->x << std::endl; // 输出 1 return 0; }
2.5.3 输出：
2 1 3 1
2.5.4 解释：
- 对于
int类型的节点，我们通过*it访问节点的值，++it和--it分别实现了前向和后向移动。 - 对于自定义类型
CustomType的节点，通过it->x可以访问自定义类型成员变量x。编译器会将it->x优化为it.operator->()->x，使得操作简化。
2.6 为什么不能简单使用 const 修饰？
2.6.1 问题解释：
在 vector 中，const_iterator 通过 const 修饰符即可实现不可修改的迭代器，这是因为 vector 的底层存储是连续的内存块，通过 const 限制访问的值即可。而 list 的底层是双向链表，迭代器不仅需要访问链表节点的值，还需要操作链表的前驱和后继节点（即 _prev 和 _next 指针）。直接使用 const 修饰迭代器无法满足这些需求，因为 const 限制了对链表结构的必要修改。
2.6.2 为什么不能简单使用 const 修饰？
const修饰的迭代器会限制所有成员的修改，包括迭代器内部的_node指针。如果我们对const迭代器执行++或--操作，这些操作会修改_node，而const禁止这种修改。
2.6.3 错误示例：直接使用 const 修饰
下面是一个简单的错误示例，展示了为什么简单地使用 const 修饰符会导致问题：
2.6.4 错误代码：
#include <iostream> template<class T> struct ListNode { T _val; ListNode* _prev; ListNode* _next; ListNode(T val) : _val(val), _prev(nullptr), _next(nullptr) {} }; template<class T> class ListIterator { typedef ListNode<T> Node; public: ListIterator(Node* node = nullptr) : _node(node) {} // 解引用操作，返回节点的值 T& operator*() { return _node->_val; } // 前向移动 ListIterator& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } // 后向移动 ListIterator& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; } private: Node* _node; }; int main() { // 创建三个节点，分别存储值 1、2、3 ListNode<int> node1(1), node2(2), node3(3); // 链接节点形成链表 node1._next = &node2; node2._prev = &node1; node2._next = &node3; node3._prev = &node2; // 尝试创建一个 const 迭代器 const ListIterator<int> constIt(&node1); // 错误1：前向移动时，编译器报错，因为 ++ 操作符不能对 const 迭代器操作 ++constIt; // 编译错误 // 错误2：解引用操作也无法进行修改 *constIt = 5; // 编译错误 }
2.6.5 错误分析：
- 无法执行前向移动 (
++constIt)：由于const修饰符限制了修改成员变量_node，因此++操作无法执行，因为该操作会修改迭代器的内部指针。 - 无法修改节点的值 (
*constIt = 5)：由于迭代器是const的，解引用操作也不能用于修改节点的值，因此编译器会报错。
2.7 正确的解决方案：使用模板参数区分 const 和 non-const
为了处理上述问题，我们可以使用模板参数来区分 const 和 non-const 的情况。通过模板参数 Ref 和 Ptr，我们可以控制迭代器的行为，使得它在常量链表和非常量链表中都能正常工作。
2.7.1 使用模板参数的好处：
- 灵活性：可以根据需要处理
const和non-const的迭代器场景。 - 安全性：对于常量链表，保证不能修改节点的值；对于非常量链表，允许修改。
- 代码复用：通过模板参数，既可以编写一套代码，处理
const和non-const两种情况。
2.7.2 实现代码：
namespace W { template<class T, class Ref, class Ptr> class ListIterator { typedef ListNode<T> Node; // 使用 Node 表示链表节点类型 public: ListIterator(Node* node = nullptr) : _node(node) {} // 解引用操作，返回节点的值 Ref operator*() const { return _node->_val; } // 指针操作，返回节点的值的指针 Ptr operator->() const { return &_node->_val; } // 前向移动 ListIterator& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } // 后向移动 ListIterator& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; } // 比较操作，判断两个迭代器是否相等 bool operator!=(const ListIterator& other) const { return _node != other._node; } private: Node* _node; }; }
2.8 测试模板泛化后的迭代器
现在我们通过测试来验证模板参数 Ref 和 Ptr 的设计是否能够正确处理常量链表和非常量链表的迭代器情况。以下场景将会被测试：
- 非常量链表：迭代器允许修改节点的值。
- 常量链表：
const迭代器只能读取节点值，不能修改。
2.8.1 测试代码：
#include <iostream> struct CustomType { int x; }; int main() { // 创建三个 int 类型的节点，分别存储值 1、2、3 W::ListNode<int> node1(1); W::ListNode<int> node2(2); W::ListNode<int> node3(3); // 链接节点形成链表 node1._next = &node2; node2._prev = &node1; node2._next = &node3; node3._prev = &node2; // 创建一个非常量迭代器 W::ListIterator<int, int&, int*> it(&node1); std::cout << *it << std::endl; // 输出 1 ++it; // 前向移动 std::cout << *it << std::endl; // 输出 2 // 修改节点的值 *it = 20; std::cout << *it << std::endl; // 输出 20 // 创建一个常量链表节点 const W::ListNode<int> constNode1(1); const W::ListNode<int> constNode2(2); constNode1._next = &constNode2; // 创建一个常量迭代器 W::ListIterator<int, const int&, const int*> constIt(&constNode1); std::cout << *constIt << std::endl; // 输出 1 // 常量迭代器不允许修改值 // *constIt = 10; // 错误：无法修改常量链表节点的值 return 0; }
2.8.2 输出结果：
1 2 20 1
2.8.3 解释：
- 非常量链表：
- 使用
it迭代器遍历链表，前向移动并修改节点的值。*it = 20修改了第二个节点的值。
- 常量链表：
- 使用
constIt迭代器只能读取节点的值，无法修改。如果尝试*constIt = 10，编译器会报错，禁止修改。
3. list 容器的基本操作
3.1 构造函数
我们将实现多种构造函数，允许用户创建空链表、指定大小的链表，以及从迭代器区间构造链表。
namespace W { template<class T> class list { typedef ListNode<T> Node; public: typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator; // 默认构造函数 list() { CreateHead(); } // 指定大小的构造函数 list(size_t n, const T& val = T()) { CreateHead(); for (size_t i = 0; i < n; ++i) push_back(val); } // 迭代器区间构造函数 template<class Iterator> list(Iterator first, Iterator last) { CreateHead(); while (first != last) { push_back(*first); ++first; } } // 析构函数 ~list() { clear(); delete _head; } // 头节点初始化 void CreateHead() { _head = new Node(); _head->_next = _head; _head->_prev = _head; } // 清空链表 void clear() { Node* cur = _head->_next; while (cur != _head) { Node* next = cur->_next; delete cur; cur = next; } _head->_next = _head; _head->_prev = _head; } private: Node* _head; // 指向头节点的指针 }; }
3.2 构造函数分析：
- 默认构造函数：创建一个空链表，并初始化头节点。
- 指定大小构造函数：使用
push_back向链表中插入n个值为val的节点。 - 迭代器区间构造函数：通过一对迭代器
[first, last)形成的区间构造链表。
4. 插入与删除操作
list 容器的优势在于高效的插入与删除操作。我们将在指定位置插入节点，或删除指定节点，插入和删除的时间复杂度均为 O(1)。
4.1 插入操作
namespacnamespace W { template<class T> class list { typedef ListNode<T> Node; typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator; public: // 在指定位置前插入新节点 iterator insert(iterator pos, const T& val) { Node* newNode = new Node(val); Node* cur = pos._node; newNode->_next = cur; newNode->_prev = cur->_prev; cur->_prev->_next = newNode; cur->_prev = newNode; return iterator(newNode); } // 在链表末尾插入新节点 void push_back(const T& val) { insert(end(), val); } // 在链表头部插入新节点 void push_front(const T& val) { insert(begin(), val); } }; }
4.1.1 插入操作分析：
- 插入效率：由于链表的结构，插入操作只需调整节点的指针，不涉及大规模的内存移动，时间复杂度为 O(1)。
- 头尾插入：通过
push_back和push_front可以方便地在链表的头部和尾部插入新节点。
4.2 删除操作
namespace W { template<class T> class list { typedef ListNode<T> Node; typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator; public: // 删除指定位置的节点 iterator erase(iterator pos) { Node* cur = pos._node; Node* nextNode = cur->_next; cur->_prev->_next = cur->_next; cur->_next->_prev = cur->_prev; delete cur; return iterator(nextNode); } // 删除链表头部节点 void pop_front() { erase(begin()); } // 删除链表尾部节点 void pop_back() { erase(--end()); } }; }
4.2.1 删除操作分析：
- 删除效率：删除节点同样是通过调整指针实现，时间复杂度为 O(1)。
- 头尾删除：通过
pop_front和pop_back实现头部和尾部节点的删除。
5. 反向迭代器的设计
在双向链表中，反向迭代器可以通过包装普通迭代器实现。反向迭代器的 ++ 对应正向迭代器的 --，反之亦然。
namespace W { template<class Iterator> class ReverseListIterator { Iterator _it; public: ReverseListIterator(Iterator it) : _it(it) {} auto operator*() { Iterator temp = _it; --temp; return *temp; } auto operator->() { return &(operator*()); } ReverseListIterator& operator++() { --_it; return *this; } ReverseListIterator operator++(int) { ReverseListIterator temp = *this; --_it; return temp; } ReverseListIterator& operator--() { ++_it; return *this; } ReverseListIterator operator--(int) { ReverseListIterator temp = *this; ++_it; return temp; } bool operator==(const ReverseListIterator& other) const { return _it == other._it; } bool operator!=(const ReverseListIterator& other) const { return !(*this == other); } }; }
5.1 反向迭代器分析：
- 解引用和指针操作：反向迭代器的
operator*和operator->实际上是操作前一个节点。 - 前向和后向移动：反向迭代器的
++操作是通过调用普通迭代器的--来实现的。
6. 迭代器失效问题
在操作 list 容器时，特别是在删除节点的过程中，可能会出现迭代器失效问题。迭代器失效是指当某个节点被删除后，指向该节点的迭代器变得无效，继续使用这个迭代器将导致未定义行为。因此，在删除节点后，必须使用返回的迭代器进行下一步操作，以避免迭代器失效问题。
6.1 删除操作中的迭代器失效
假设我们使用 erase 函数删除链表中的节点。如果我们继续使用之前的迭代器而不更新它，程序将会崩溃，因为该迭代器指向的内存已经被释放。
void TestIteratorInvalidation() { W::list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5}; auto it = lst.begin(); while (it != lst.end()) { it = lst.erase(it); // 正确：使用 erase 返回的新迭代器 } }
6.2 错误使用示例
下面的示例展示了错误的迭代器使用方式，迭代器在删除操作后没有更新，导致其指向了已被释放的内存。
void WrongIteratorUsage() { W::list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5}; auto it = lst.begin(); while (it != lst.end()) { lst.erase(it); // 错误：删除后 it 失效 ++it; // 未更新的迭代器继续操作，导致崩溃 } }
6.3 解决方案
为了解决迭代器失效问题，每次删除节点后都要使用 erase 返回的新迭代器，确保迭代器指向的内存有效。
void CorrectIteratorUsage() { W::list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5}; auto it = lst.begin(); while (it != lst.end()) { it = lst.erase(it); // 正确：每次使用 erase 返回的新迭代器 } }
7. 总结与展望
通过这篇文章，我们从零开始模拟实现了一个 list 容器，并深入剖析了以下几个方面：
- 双向链表的核心数据结构：理解链表节点的
_prev和_next指针，以及如何通过它们实现双向遍历。 - 迭代器的设计：实现了
list的正向和反向迭代器，支持前向移动、后向移动和解引用操作。 - 模板参数解决
const和non-const场景：通过模板参数Ref和Ptr，灵活应对const链表和非常量链表的不同需求，保证代码的安全性和灵活性。 - 插入与删除操作：高效的插入和删除操作，时间复杂度均为 O(1)，体现了链表结构的优势。
- 反向迭代器的实现：通过包装普通迭代器，设计了一个反向迭代器，方便反向遍历链表。
- 迭代器失效问题：讲解了迭代器失效的原因及其解决方法，避免了未定义行为。
今后，读者您可以尝试进一步扩展这篇文章中的 list 容器，例如：
- 实现更多的容器操作：如
find、sort等高级操作。 - 实现与 STL 接口兼容的完整
list容器：包括迭代器失效的处理、异常安全的插入与删除操作。 - 性能优化与内存管理：如使用自定义的内存池优化链表的节点分配和释放。
通过持续的实践和优化，我们能够更深入地理解 C++ 标准库的实现细节，并在开发过程中提高代码的效率和健壮性。
完整的 list 容器实现代码
最后，附上完整的代码实现，包括链表节点结构、迭代器、插入删除操作等。
namespace W { // 链表节点结构 template<class T> struct ListNode { T _val; ListNode* _prev; ListNode* _next; ListNode(const T& val = T()) : _val(val), _prev(nullptr), _next(nullptr) {} }; // 正向迭代器 template<class T, class Ref, class Ptr> class ListIterator { typedef ListNode<T> Node; public: ListIterator(Node* node = nullptr) : _node(node) {} Ref operator*() const { return _node->_val; } Ptr operator->() const { return &_node->_val; } ListIterator& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } ListIterator& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; } bool operator!=(const ListIterator& other) const { return _node != other._node; } private: Node* _node; }; // 反向迭代器 template<class Iterator> class ReverseListIterator { Iterator _it; public: ReverseListIterator(Iterator it) : _it(it) {} auto operator*() { Iterator temp = _it; --temp; return *temp; } auto operator->() { return &(operator*()); } ReverseListIterator& operator++() { --_it; return *this; } ReverseListIterator operator++(int) { ReverseListIterator temp = *this; --_it; return temp; } ReverseListIterator& operator--() { ++_it; return *this; } ReverseListIterator operator--(int) { ReverseListIterator temp = *this; ++_it; return temp; } bool operator==(const ReverseListIterator& other) const { return _it == other._it; } bool operator!=(const ReverseListIterator& other) const { return !(*this == other); } }; // list 容器实现 template<class T> class list { typedef ListNode<T> Node; typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator; public: list() { CreateHead(); } list(size_t n, const T& val = T()) { CreateHead(); for (size_t i = 0; i < n; ++i) push_back(val); } ~list() { clear(); delete _head; } iterator begin() { return iterator(_head->_next); } iterator end() { return iterator(_head); } void push_back(const T& val) { insert(end(), val); } void push_front(const T& val) { insert(begin(), val); } iterator insert(iterator pos, const T& val) { Node* newNode = new Node(val); Node* cur = pos._node; newNode->_next = cur; newNode->_prev = cur->_prev; cur->_prev->_next = newNode; cur->_prev = newNode; return iterator(newNode); } iterator erase(iterator pos) { Node* cur = pos._node; Node* nextNode = cur->_next; cur->_prev->_next = cur->_next; cur->_next->_prev = cur->_prev; delete cur; return iterator(nextNode); } void pop_front() { erase(begin()); } void pop_back() { erase(--end()); } void clear() { Node* cur = _head->_next; while (cur != _head) { Node* next = cur->_next; delete cur; cur = next; } _head->_next = _head; _head->_prev = _head; } private: void CreateHead() { _head = new Node(); _head->_next = _head; _head->_prev = _head; } Node* _head; }; }
以上就是关于【C++篇】揭开 C++ STL list 容器的神秘面纱：从底层设计到高效应用的全景解析的内容啦，各位大佬有什么问题欢迎在评论区指正，或者私信我也是可以的啦，您的支持是我创作的最大动力！❤️
