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本文依旧按照依赖逻辑模拟实现list，重点讲解迭代器。

正文开始

0. list

list即带头双向循环链表，支持在任意位置O(1)的插入和删除。

1. list框架

ListNode节点；list即一个头结点指针。

    template<class T>
    struct ListNode
    {
        ListNode<T>* _prev;
        ListNode<T>* _next;
        T _data;

        ListNode(const T& x = T())
        {
            _prev = nullptr;
            _next = nullptr;
            _data = x;
        }
    };

    template<class T>
    class list
    {
        typedef ListNode<T> Node;
        
    public:
        list()
        {
            _head = new Node;
            _head->_prev = _head;
            _head->_next = _head;
        }
    private:
        Node* _head;
    };

为了随写随测，迅速先写一个尾插，这老生常谈了。当然一会儿写完insert(需要迭代器pos) 可以直接复用——

        void push_back(const T& x)
        {
            Node* newnode = new Node(x);
            Node* tail = _head->_prev;
            tail->_next = newnode;
            newnode->_prev = tail;
            newnode->_next = _head;
            _head->_prev = newnode;
        }

2. 迭代器(重点)

:heart: 迭代器访问容器就是在模仿指针的两个重点行为：解引用 能够访问数据；++可以到下一个位置。对于string和vector这样连续的物理空间，原生指针就是天然的迭代器；然而对于list这样在物理空间上不连续的数据结构，解引用就是结点访问不到数据，++不能到下一个结点，原生指针做不了迭代器。

因此，对于链表的迭代器，我们用自定义类型对结点的指针进行封装，底层仍然是结点的指针。C++的自定义类型支持运算符重载，原本的运算符编程变成函数调用，这样就可以实现像内置类型一样使用运算符。这就是类型的力量！

构造迭代器，一个节点的指针就可以构造 ——

    template<class T>
    struct __list_iterator
    {
        typedef ListNode<T> Node;
        typedef __list_iterator<T,Ref,Ptr> Self;
        Node* _node;

        __list_iterator(Node* x)
            : _node(x)
        {}
    };

迭代器的拷贝构造&赋值重载都不需要我们自己实现，因为要的就是浅拷贝，用编译器默认生成的即可。

析构函数呢？也不需要我们实现。那释放链表呢，节点属于链表list，迭代器是借助结点指针来访问修改链表的，不属于迭代器。就像是你自己的碗要自己洗，去外面吃就不用自己洗；我把结点的指针给你让你访问，结果你把我链表给释放了这不搞笑嘛。

2.1 iterator & const_iterator

迭代器遍历。下面是测试代码 ——

    void print_list(const list<int>& lt)
    {
        list<int>::const_iterator it = lt.begin();
        while (it != lt.end())
        {
            // *it /= 2; 不可写
            cout << *it << " ";
            ++it;
        }
        cout << endl;
    }

    // 测试迭代器
    void test_list1()
    {
        list<int> lt;
         lt.push_back(1);
        lt.push_back(2);
        lt.push_back(3);
        lt.push_back(4);

        list<int>::iterator it = lt.begin();
        while (it != lt.end())
        {
            *it *= 2; //可写
            cout << *it << " ";
            ++it;
        }
        cout << endl;

        //测试const迭代器
        print_list(lt);
    }

可以看到我们首先需要重载++，*，!=这些运算符。

2.1.1 重载*

我们在list中进行typedef，这样所有容器迭代器名字统一都是iterator。
关于iterator和const_iterator：普通迭代器返回的是T&，可读可写；const迭代器返回的是const T&，可读不可写。我们当然可以再封装一个类就叫做__const_list_iterator，稍作修改，但是这样会造成严重的代码冗余，因为++/--/==的重载都没有区别，只是返回值不同罢了。我们巧妙的传入模板参数解决了这个问题，这也是迭代器的精华。
我们把类模板typedef成self
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-xRfb4xoc-1648974512795)(C:\Users\13136\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220402162738840.png)]$

迭代器相关完整代码附在2.1.3小节.

2.1.2 重载->

如果T不是int这样的内置类型，而是自定义类型，我们要访问其中的每一个成员，还需要重载->。我们以日期类为例 ——

    struct Date
    {
        Date(int year = 0,int month = 0,int day = 0)
            : _year(year)
            , _month(month)
            , _day(day)
        {}

        int _year;
        int _month;
        int _day;
    };

    void test_list2()
    {
        list<Date> lt;
        lt.push_back(Date(2022, 3, 31));
        lt.push_back(Date(2022, 3, 31));
        lt.push_back(Date(2022, 3, 31));

        // 遍历链表，打印日期
        list<Date>::iterator it = lt.begin();
        while (it != lt.end())
        {
            //cout << *it << endl; // 错误示范，请勿模仿
            // 因为Date是自定义类型，需要重载<<来打印，但要就是不给你提供呢，下面这样是可以的
            cout << (*it)._year << "." << (*it)._month << "." << (*it)._day << endl;
            it++;
        }
        cout << endl;
    }
    //小细节：Date构造函数需要给缺省值，因为哨兵位头结点没给数

迭代器it是去模仿指针的行为。在list中，如果节点中是int这样的内置类型，解引用(本质调用函数)访问数据即可；而像这里一个结构体的指针，我们固然可以(*it)拿到日期类对象.访问成员，但我们更希望能->访问成员，因此我们还需要重载-> ——

    cout << it->_year << "." << it->_month << "." << it->_day << endl;

这里本来应该是it->->_year，但是这样写运算符可读性太差了，所以编译器进行了优化，省略了一个->，所有类型想要重载->都是这样。对于const对象，可读不可写，那么应该返回const指针，因此我们在添加一个Ptr参数。
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-uK6PjyBu-1648974512796)(C:\Users\13136\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220402190825429.png)]$

2.1.3 重载++/-- & ==/!=

++/--这些都比较简单，迭代器的完整代码附在这里了 ——

    template<class T, class Ref, class Ptr>
    struct __list_iterator
    {
        typedef ListNode<T> Node;
        typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
        Node* _node;

        __list_iterator(Node* x)
            : _node(x)
        {}

        Ref operator*()
        {
            return _node->_data;
        }

        Ptr operator->()
        {
            return &_node->_data;
        }

        self& operator++()
        {
            _node = _node->_next;
            return *this;
        }

        self operator++(int)
        {
            self tmp(*this);
            _node = _node->_next;
            return tmp;
        }

        self& operator--()
        {
            _node = _node->_prev;
            return *this;
        }

        self operator--(int)
        {
            self tmp(*this);
            _node = _node->_prev;
            return tmp;
        }

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

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

    };

list中的begin()和end()接口 ——

    template<class T>
    class list
    {
        typedef ListNode<T> Node;
    public:
        typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
        typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

        list()
        {
            _head = new Node;
            _head->_prev = _head;
            _head->_next = _head;
        }
        
        iterator begin()
        {
            return iterator(_head->_next);
        }

        iterator end()
        {
            return iterator(_head);
        }

        const_iterator begin() const
        {
            return const_iterator(_head->_next);
        }

        const_iterator end() const
        {
            return const_iterator(_head);
        }
        private:
            Node* _head;
    };

2.2 reverse_iterator

反向迭代器就是对正向迭代器的封装，这样它可以是任意容器的反向迭代器。

它们的不同就在于++调的是正向迭代器的--；--调的是正向迭代器的++
源码中为了使正向迭代器&反向迭代器的开始和结束保持对称，解引用*取前一个位置
" title="">

这样做是有一定原因的，对于vector的反向迭代器，如果是我们预想的那样(解引用取的是当前位置)，会有越界访问问题。

为了获取数据类型T，我们还需要增加两个类模板参数Ref、Ptr。源码中不带这两个参数，是通过迭代器萃取技术实现的。

#pragma once

namespace beatles
{
    // 可以是任意容器的反向迭代器
    // Iterator是哪个容器的迭代器，reverse_iterator<Iterator>就可以适配哪个容器的反向迭代器(复用)
    template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
    class reverse_iterator
    {
        typedef reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> self;
    public:
        reverse_iterator(Iterator it)
            :_it(it)
        {}

        Ref operator*()
        {
            Iterator prev = _it;
            return *--prev;
        }

        Ptr operator->()
        {
            return &operator*();
        }

        self& operator++()
        {
            --_it;
            return *this;
        }

        self operator++(int)
        {
            self tmp(*this);
            --_it;
            return tmp;
        }

        self& operator--()
        {
            self tmp(*this);
            ++_it;
            return tmp;
        }

        self operator--(int)
        {
            return ++_it;
        }

        bool operator==(const self& rit) const
        {
            return _it == rit._it;
        }

        bool operator!=(const self& rit) const
        {
            return _it != rit._it;
        }
    private:
        Iterator _it;
    };
}

3. Modifiers

带头双向循环链表无死角的完美结构，使得任意位置的插入删除变得简单。

3.1 insert & erase

:strawberry: insert

    iterator insert(iterator pos, const T& x)
    {
        Node* cur = pos._node;
        Node* prev = cur->_prev;
        Node* newnode = new Node(x);
        
        prev->_next = newnode;
        newnode->_prev = prev;
        newnode->_next = cur;
        cur->_prev = newnode;
        
        return iterator(newnode);
    }

返回值是newnode位置的迭代器
list的insert会发生迭代器失效吗？众所周知，vector中insert迭代器失效有两种原因：扩容野指针；pos意义改变。显然，list这里不会再发生迭代器失效。

:strawberry: erase

    iterator erase(iterator pos)
    {
        assert(pos != end());
        Node* prev = pos._node->_prev;
        Node* next = pos._node->_next;
        delete pos._node;
        
        prev->_next = next;
        next->_prev = prev;
        
        return iterator(next);
    }

返回值是指向erase的下一个节点处的迭代器
erase后迭代器必然要失效，节点都被干掉了，是野指针

3.2 push_back & push_front

注意插入位置。
<img src= " title="">

    void push_back(const T& x)
    {
        insert(end(), x);
    }

    void push_front(const T& x)
    {
        insert(begin(), x);
    }

3.3 pop_back & pop_front

注意删除位置。

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

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

4. list的默认成员函数

4.1 构造

:strawberry: 无参构造

    list()
    {
        _head = new Node;
        _head->_prev = _head;
        _head->_next = _head;
    }

:strawberry: 迭代器区间构造

    // 迭代器区间构造
    template<class InputIterator>
    list(InputIterator first, InputIterator last)
    {
        _head = new Node;
        _head->_prev = _head;
        _head->_next = _head;
        while (first != last)
        {
            push_back(*first);
            first++;
        }
    }

4.2 clear() & 析构函数

:strawberry: clear清掉链表中所有数据，在重新进行插入，注意需要保留头结点。

    void clear()
    {
        iterator it = begin();
        while (it != end())
        {
            iterator del = it++;
            delete del._node;
            //delete (it++)._node;
        }
        //更改链接关系
        _head->_prev = _head;
        _head->_next = _head;
    }

:strawberry: 析构函数

    ~list()
    {
        clear();
        delete _head;
        _head = nullptr;
    }

4.3 拷贝构造

深拷贝。传统写法，利用范围for:candy:尾插——

     //拷贝构造 - 传统写法
     //lt2(lt1)
    list(const list<T>& lt)
    {
        _head = new Node;
        _head->_prev = _head;
        _head->_next = _head;

        for (auto e : lt)
        {
            push_back(e);
        }
    }

:strawberry: 拷贝构造现代写法，需要迭代器区间构造

    // 拷贝构造 - 现代写法
    // lt2(lt1)
    list(const list<T>& lt)
    {
        _head = new Node;
        _head->_prev = _head;
        _head->_next = _head;

        list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
        swap(_head, tmp._head);
    }

注意必须给一个头，否则_head是一个随机值，换给tmp后出作用域调用析构函数，clear时获取begin()要解引用 _head-> _next会崩溃。

4.4 赋值重载

传统写法，复用clear()和尾插 ——

     //赋值重载 - 传统写法
     //lt1 = lt3
    list<T>& operator=(const list<T>& lt)
    {
        if (this != &lt)
        {
            clear(); //lt1
            for (auto e : lt)
            {
                push_back(e);
            }
        }
        return *this;
    }

:strawberry: 现代写法

    // 赋值重载
    // lt1 = lt3
    list<T>& operator=(list<T> lt)
    {
        swap(_head, lt._head);
        return *this;
    }

5. list & vector 区别和联系

【面试题】 list & vector的区别和联系

	vector	list
互补	连续的物理空间，可以随机访问，是优势也是劣势	带头双向循环链表，不能随机访问
	1. 空间不够需要增容，增容代价比较大	1. 按需申请释放空间
	2. 按需申请，一般是2倍左右扩容，可能存在一定的空间浪费 (reseve一定程度缓解)
	3. 头部和中间的插入删除需要挪动数据，效率低下	2.支持任意位置O(1)的插入删除
迭代器	原生指针	用类去封装节点指针。重载*、++等操作符，让它像指针一样

附：

list.h

#pragma once

#include<iostream>
#include<assert.h>
#include"reverse_iterator.h"

using namespace std;

namespace beatles
{
    template<class T>
    struct ListNode
    {
        ListNode<T>* _prev;
        ListNode<T>* _next;
        T _data;

        ListNode(const T& x = T())
        {
            _prev = nullptr;
            _next = nullptr;
            _data = x;
        }
    };

    template<class T, class Ref, class Ptr>
    struct __list_iterator
    {
        typedef ListNode<T> Node;
        typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
        Node* _node;

        __list_iterator(Node* x)
            : _node(x)
        {}

        Ref operator*()
        {
            return _node->_data;
        }

        Ptr operator->()
        {
            return &_node->_data;
        }

        self& operator++()
        {
            _node = _node->_next;
            return *this;
        }

        self operator++(int)
        {
            self tmp(*this);
            _node = _node->_next;
            return tmp;
        }

        self& operator--()
        {
            _node = _node->_prev;
            return *this;
        }

        self operator--(int)
        {
            self tmp(*this);
            _node = _node->_prev;
            return tmp;
        }

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

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

    }; 

    template<class T>
    class list
    {
        typedef ListNode<T> Node;
    public:
        typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
        typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

        //把正向迭代器作为模板参数传给反向迭代器
        typedef reverse_iterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;
        typedef reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
        list()
        {
            _head = new Node;
            _head->_prev = _head;
            _head->_next = _head;
        }

        // 迭代器区间构造
        template<class InputIterator>
        list(InputIterator first, InputIterator last)
        {
            _head = new Node;
            _head->_prev = _head;
            _head->_next = _head;

            while (first != last)
            {
                push_back(*first);
                first++;
            }
        }

        // 拷贝构造 - 现代写法
        // lt2(lt1)
        list(const list<T>& lt)
        {
            _head = new Node;
            _head->_prev = _head;
            _head->_next = _head;

            list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
            swap(_head, tmp._head);
        }

        // 赋值重载
        // lt1 = lt3
        list<T>& operator=(list<T> lt)
        {
            swap(_head, lt._head);
            return *this;
        }

        ~list()
        {
            clear();
            delete _head;
            _head = nullptr;
        }

        void clear()
        {
            iterator it = begin();
            while (it != end())
            {
                iterator del = it++;
                delete del._node;
                //delete (it++)._node;
            }
            //更改链接关系
            _head->_prev = _head;
            _head->_next = _head;
        }

         //拷贝构造 - 传统写法
         //lt2(lt1)
        /*list(const list<T>& lt)
        {
            _head = new Node;
            _head->_prev = _head;
            _head->_next = _head;
            
            for (auto e : lt)
            {
                push_back(e);
            }
        }*/

         //赋值重载 - 传统写法
         //lt1 = lt3
        //list<T>& operator=(const list<T>& lt)
        //{
        //    if (this != &lt)
        //    {
        //        clear(); //lt1
        //        for (auto e : lt)
        //        {
        //            push_back(e);
        //        }
        //    }
        //    return *this;
        //}

        iterator begin()
        {
            return iterator(_head->_next);
        }

        iterator end()
        {
            return iterator(_head);
        }

        const_iterator begin() const
        {
            return const_iterator(_head->_next);
        }

        const_iterator end() const
        {
            return const_iterator(_head);
        }

        reverse_iterator rbegin()
        {
            return reverse_iterator(end());
        }
        
        reverse_iterator rend()
        {
            return reverse_iterator(begin());
        }

        const_reverse_iterator rbegin() const
        {
            return const_reverse_iterator(end());
        }

        const_reverse_iterator rend() const
        {
            return const_reverse_iterator(begin());
        }


        iterator insert(iterator pos, const T& x)
        {
            Node* cur = pos._node;
            Node* prev = cur->_prev;
            Node* newnode = new Node(x);
            prev->_next = newnode;
            newnode->_prev = prev;
            newnode->_next = cur;
            cur->_prev = newnode;
            return iterator(newnode);
        }

        void push_back(const T& x)
        {
            /*Node* newnode = new Node(x);
            Node* tail = _head->_prev;
            tail->_next = newnode;
            newnode->_prev = tail;
            newnode->_next = _head;
            _head->_prev = newnode;*/
            insert(end(), x);
        }

        void push_front(const T& x)
        {
            insert(begin(), x);
        }

        iterator erase(iterator pos)
        {
            assert(pos != end());
            Node* prev = pos._node->_prev;
            Node* next = pos._node->_next;
            delete pos._node;
            prev->_next = next;
            next->_prev = prev;
            return iterator(next);
        }

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

        void pop_front()
        {
            erase(begin());
        }
    private:
        Node* _head;
    };

    void print_list(const list<int>& lt)
    {
        list<int>::const_iterator it = lt.begin();
        while (it != lt.end())
        {
            // *it /= 2; 不可写
            cout << *it << " ";
            ++it;
        }
        cout << endl;
    }

    // 测试迭代器
    void test_list1()
    {
        list<int> lt;
         lt.push_back(1);
        lt.push_back(2);
        lt.push_back(3);
        lt.push_back(4);

        list<int>::iterator it = lt.begin();
        while (it != lt.end())
        {
            *it *= 2; //可写
            cout << *it << " ";
            ++it;
        }
        cout << endl;

        //测试const迭代器
        print_list(lt);
    }

    struct Date
    {
        Date(int year = 0,int month = 0,int day = 0)
            : _year(year)
            , _month(month)
            , _day(day)
        {}

        int _year;
        int _month;
        int _day;
    };

    void test_list2()
    {
        list<Date> lt;
        lt.push_back(Date(2022, 3, 31));
        lt.push_back(Date(2022, 3, 31));
        lt.push_back(Date(2022, 3, 31));

        // 遍历链表，打印日期
        list<Date>::iterator it = lt.begin();
        while (it != lt.end())
        {
            //cout << (*it)._year << "." << (*it)._month << "." << (*it)._day << endl;
            cout << it->_year << "." << it->_month << "." << it->_day << endl;
            it++;
        }
        cout << endl;
    }

    // 测试插入&删除
    void test_list3()
    {
        list<int> lt;
        lt.push_back(1);
        lt.push_back(2);
        lt.push_back(3);
        lt.push_back(4);
        lt.push_front(0);
        lt.push_front(-1);
        for (auto e : lt)
        {
            cout << e << " ";
        }
        cout << endl;

        lt.pop_back();
        lt.pop_front();
        for (auto e : lt)
        {
            cout << e << " ";
        }
        cout << endl;
    }

    // 测试拷贝构造&赋值重载
    void test_list4()
    {
        list<int> lt1;
        lt1.push_back(1);
        lt1.push_back(2);
        lt1.push_back(3);
        lt1.push_back(4);

        /*lt1.clear();
        for (auto e : lt1)
        {
            cout << e << " ";
        }
        cout << endl;*/

        list<int> lt2(lt1);
        for (auto e : lt2)
        {
            cout << e << " ";
        }
        cout << endl;

        list<int> lt3;
        lt3.push_back(10);
        lt3.push_back(20);
        lt3.push_back(30);
        lt3.push_back(40);
        lt3.push_back(50);
        lt1 = lt3;
        for (auto e : lt1)
        {
            cout << e << " ";
        }
        cout << endl;
    }

    // 测试反向迭代器
    void test_list5()
    {
        list<int> lt;
        lt.push_back(1);
        lt.push_back(2);
        lt.push_back(3);
        lt.push_back(4);

        list<int>::reverse_iterator rit = lt.rbegin();
        while (rit != lt.rend())
        {
            cout << *rit << " ";
            rit++;
        }
        cout << endl;
    }
}

reverse_iterator.h

可以是适配成任意容器的反向迭代器，Iterator是哪个容器的迭代器，reverse_iterator< Iterator>就可以适配哪个容器的反向迭代器(复用)

#pragma once

namespace beatles
{
    // 可以是任意容器的反向迭代器
    // Iterator是哪个容器的迭代器，reverse_iterator<Iterator>就可以适配哪个容器的反向迭代器(复用)
    template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
    class reverse_iterator
    {
        typedef reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> self;
    public:
        reverse_iterator(Iterator it)
            :_it(it)
        {}

        Ref operator*()
        {
            Iterator prev = _it;
            return *--prev;
        }

        Ptr operator->()
        {
            return &operator*();
        }

        self& operator++()
        {
            --_it;
            return *this;
        }

        self operator++(int)
        {
            self tmp(*this);
            --_it;
            return tmp;
        }

        self& operator--()
        {
            self tmp(*this);
            ++_it;
            return tmp;
        }

        self operator--(int)
        {
            return ++_it;
        }

        bool operator==(const self& rit) const
        {
            return _it == rit._it;
        }

        bool operator!=(const self& rit) const
        {
            return _it != rit._it;
        }
    private:
        Iterator _it;
    };
}

test.cpp

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include"list.h"

int main()
{
    //beatles::test_list1();
    //beatles::test_list2();
    //beatles::test_list3();
    //beatles::test_list4();
    beatles::test_list5();
    return 0;
}

:purple_heart: 风尘仆仆我会化作天边的晚霞~

持续更新@边通书

【C++】list的模拟实现@STL —— 迭代器