【C++】C++ STL 探索：List使用与背后底层逻辑

本文将通过模拟实现List，从多个角度深入剖析其底层机制，详细讲解其内部实现原理和实际应用场景，帮助读者全面理解和掌握List的工作方式。

🌈个人主页：是店小二呀
🌈C语言专栏：C语言
🌈C++专栏： C++
🌈初阶数据结构专栏： 初阶数据结构
🌈高阶数据结构专栏： 高阶数据结构
🌈Linux专栏： Linux

🌈喜欢的诗句:无人扶我青云志 我自踏雪至山巅

前文:List介绍

list文档介绍

• list是可以在常数范围内在任意位置插入和删除的序列式容器，并且该容器可以前后双向迭代
• list的底层是双向链表结构，双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中，在节点中通过指针指向其前面一个元素和后一个元素
• list与forward_list非常相似:最主要的不同在于forward_list是单链表，只能朝前迭代，已让其更简单高效
• 与其他的序列式容器相比，list通常在任意位置进行插入，移除元素的执行效率更好
• 与其他序列式容器相比，list和forward_list最大的缺陷式不支持任意位置的随机访问。

在模拟实现list过程中，为了避免跟库中list发生冲突，需要创建个命名空间，在命名空间中实现list。

namespace ls
{class list{};
}

list的底层是双向链表结构，而链表是通过每个独立的节点利用指针连接在一起的数据结构。节点是组成链表基本单位。模拟实现带头双向循环链表，为了适应不同的数据类型，选择采用类模板。

一、搭建创建List武器库

1.1 创建节点ListNode

template<class T>struct ListNode{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;//创建节点，是传数据创建的ListNode(const T& x = T()):_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(x){}};

具体说明：为了适应不同类型的节点，将创建节点设计成类模板。访问限定符一般选用struct，由于默认访问权限是公开的，节点里面数据都是可以使用。当然使用class也是可以的，只需要将访问限定符设置为public。

节点对象实例化一般是传个数值，但是为了考虑类型和是否传参，可以设置一个全缺省构造函数

1.2 迭代器ListIterator

链表通过每个节点连接在一起，但这不能保证节点间地址是连续的。对此虽然原生指针是天然的迭代器，但是建立在物理空间连续的情况下

1.2.1 自定义类型迭代器

list<T> ::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{*it += 10;cout << *it;it++;
}

由于链表节点间物理空间不连续，使用原生指针作为迭代器不能满足++或–操作。节点间又是通过指针连接在一起的，那么可以将指针封装到类中，通过运算符重载重新定义运算符的行为，达成我们的需求。不采用内置类型迭代器，选择自定义类型迭代器，其中自定义类型迭代器内部是通过指针实现的。

template<class T>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef  ListIterator<T> Self;Node* _node;ListIterator(Node* node):_node(node){}}

注意事项:

• 将通过ListIterator类模板模拟实现迭代器，通过采用struct公开迭代器里面的数据
• ListIterator(Node* node)，这里迭代器的实现还是依赖指针，只是通过类封装改变运算符的行为，参数部分是传递指针类型（关键）
• 其中迭代器是作为指向作用，申请资源不属于迭代器，而属于链表，不需要考虑析构的问题，迭代器就是玩数据
• 数据公开意味着，内部数据可以被任意修改。没人会去跳过封装，使用内部的数据，没有意义。不同编译器中底层实现是不一样的(实现逻辑、名称)，这本身就是一种隐式设置为私有的作用

1.2.2 交换语句

void swap(list<T>& it)
{std::swap(_head, it._head);std::swap(_size, it._size);
}

1.2.3 迭代器运算符重载

1.2.3.1 前置++与后置++

//前缀++
Self& operator++()
{_node = _node->_next;return *this;
}//后缀++
Self operator++(int)
{//构造一个tmp临时变量Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;
}

1.2.3.2 前置–与后缀–

Self& operator--()
{_node = _node->_prev;return *this;
}//后缀--
Self operator--(int)
{//构造一个tmp临时变量Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;
}

具体说明:有拷贝构造就需要考虑深浅拷贝的问题。这里需要使用到浅拷贝，指向同一块空间，并且不需要考虑重复析构的问题，也说明了浅拷贝并都是坏处。临时对象tmp同指向一块空间，调用完临时对象被销毁，指向空间资源保留。这也导致了返回类型是指针还是引用。

1.2.3.4 *运算符重载

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

1.2.3.5 ==与!=运算符重载

//通过指针指向的节点去判断是否相等
bool operator==(const Self& it)
{return _node == it._node;
}bool operator!=(const Self& it)
{return _node != it._node;
}

具体说明：

• 关于形参部分使用const修饰，其一为了提醒对象顺序问题，其二在while(it != lt.end())中lt.end()调用返回临时对象具有常性，在参数部分进行接收将权限降低。
• 迭代器间的比较并不是比较指向数据，而是比较迭代器指向的位置

二、正式模拟实现List

2.1 武器库使用

前面知识是为了我们实现List提供武器库

template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public:typedef  ListIterator<T> Iterator;private://创建哨兵位Node* _head;size_t _size;};

武器使用:

• 关于typedef ListNode<T> Node与typedef ListIterator<T> Iterator这两个类可以当作武器库，主要是为List类提供服务。那么对于ListIterator类来说ListNode<T> Node也是当作一个武器进行使用。
• 对于带头双向循环链表，成员对象需要哨兵位和记录个数对象。

2.2 获得List开头和结尾迭代器

Iterator begin()
{//return Iterator(_head->_next);return _head->_next;
}Iterator end()
{//return Iterator(_head);return _head;
}

具体说明:

• 由于正在使用自定义类型的迭代器，返回类型为Iterator自定义类型。返回类型可以写成Node*类型，单参数的拷贝构造函数支持隐式类型转换。

需要注意:

• 返回值没有传引用返回，由于该接口功能是返回开头和节点迭代器，如果传引用返回，会影响下一次调用该节点。我们不需要拿到这个位置的迭代器，只需要拿到这个位置的信息。

小插曲:隐式类型转换

list<int> :: Iterator it = (lt._head->_next);

由于_ head属于list类中的私有对象，不能直接的访问私有成员，通过公共接口访问。不同编译器底层实现是不同的，这也体现了封装的重要性。

2.3 关于迭代器失效

关于vector学习，我们知道在扩容或缩容的时候，可能会出现迭代器失效的问题。在list这里insert不会出现迭代器失效，但是erase就会出现迭代器失效。

关于解决不同编译器下erase导致迭代器失效的问题。方法有两个：迭代器失效以后，不要直接使用，如何要使用按照规则重新更新使用，返回被删除数据的迭代器。

2.4 insert

void  insert(Iterator pos, const T& val)
{Node* newnode = new Node(val);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;newnode->_next = cur;newnode-> _prev = prev;cur->_prev = newnode;prev->_next = newnode;_size++;
}

这里跟数据结构实现双向链表任意位置插入数据的逻辑是一样的，不同的地方就是这里使用迭代器。

2.5 erase

//这些需要使用迭代器作为返回类型，怕出现迭代器失效
Iterator& erase(Iterator pos)
{Node* cur = pos._node;Node* next = cur->_next;Node* prev = cur->_prev;delete cur;next->_prev = prev;prev->_next = next;_size--;//注意点return Iterator(next);
}

具体说明:这里跟数据结构实现双向链表任意位置删除数据的逻辑是一样的。

需要注意：返回类型需要使用迭代器类型，怕出现迭代器失效，返回下一个位置的迭代器

2.6 复用insert与erase完成插入与删除

void push_back(const T& val)
{insert(end(), val);
}void pop_back()
{erase(--end());
}void push_front(const T& val)
{insert(begin(), val);
}void pop_front()
{erase(begin());
}

具体说明：

• 在vector实现push_back和pop_back时，通过begin和end得到迭代器指向的位置。返回变量为具有常性的临时变量，不能通过++或–对其修改。
• 在List中迭代器可以进行++或–操作，由于不是对临时对象本身进行修改，而是在运算符重载中改变了运算符的行为，修改是临时对象指向的内容。在vector中修改是对象本身当然是不信的。

2.7 operator->重载

给出场景:关于之前类模板实例化中模板参数为内置类型，这次将T改为自定义类型，注意A是自定义类型。

struct A
{int a1 = 0, a2 = 0;A(int a1,int a2):a1(1),a2(2){}
};
list<A> lt;
list<A> ::Iterator it = lt.begin();lt.push_back(A(1,2));
lt.push_back({3,3});
while (it != lt.end())
{cout << *it;it++;
}

在进行cout << *it中得到该类对象，并没有得到内部数据，对此有两个解决措施:

1. (*it).a1直接访问成员
2. 流插入的运算符重载

我们希望得到的效果是第二种写法，第一种感觉会冗余

• 第一种:(*it).a1

• 第二种:it->_a1

重点梳理:

• 先梳理思路list<A> ::Iterator it代表了it属于Iterator类对象。这里将it看成迭代器，其中*被运算符重载为_node->_data，其中_data类型就是自定义类型A。
• 那么*it行为就是得到自定义类型A对象，通过A对象.内部成员变量方式进行访问。
• 对于第二种:也是想通过->运算符重载得到A类型对象，但是很奇怪，得到了A类型对象怎么去访问A类型对象中成员变量呢？对此编译器为了可读性，省略了一个->，实际上是这样子的it.operator->()->_a1,编译器省略之后it->_a1就可以了，提高了可读性。

//返回A类型对象指针，很合理啦
T* operator->()
{return &_node->_data;
}

2.8 const_Iterator迭代器

2.8.1 实现const_Iterator迭代器

关于迭代器相关接口已经实现完毕，如果我们需要实现个指向内容不可以被修改的迭代器呢？

思考问题：

1. 我们为什么要用const_Iterator而不是const Iterator呢？
2. const修饰迭代器，是迭代器本身不能被修改，还是迭代器指向内容不能被修改呢？

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

我们实现const版本迭代器目的就是为了指向内容不被修改。

分析过程：

• Iterator是一个类，如果在前面加const，它表示的意思是这个类对象本身不能被修改，而不是指向内容不能被修改。
• 实现链表的迭代器不是内置类型，而是自定义类型，在自定义类型前面使用const修饰代表本身不能被修改，会导致++或–运算符之类的运算符重载会失效。
• 指出问题:迭代器指向内容是否被修改，需要对实现迭代器的类里面解引用运算符重载进行const修饰

template<class T>struct ListConIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef  ListConIterator<T> Self;//只针对解引用 修改了迭代器的行为 但是++ --是将迭代器位置改变，迭代器指向的内容不能被修改Node* _node;//迭代器还是依赖指针，通过类来改变运算符的行为//这里是浅拷贝 拷贝构造函数ListIterator(Node* node):_node(node){}Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//后缀++Self operator++(int){//构造一个tmp临时变量Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}//这里需要判断空Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}////后缀--Self operator--(int) {//构造一个tmp临时变量Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}const  T& operator* () {return _node->_data;}//通过指针指向的节点去判断是否相等bool operator==(const Self& it){return _node == it._node;}bool operator!=(const Self& it){return _node != it._node;}const T* operator->() {return &_head->_data;}};

具体说明:将解引用操作符重载的返回值用const修饰，保证返回的数据不能被修改。这里没有对++和–的返回值进行修饰，因为++和–并不直接影响迭代器的内容，是针对迭代器（it）本身。

2.8.2 模板整合类型问题

不足之处:对于Ierator类与const_Ierator类的解引用运算符重载大体功能相同，主要区别在于不同情况下需要使用返回值类型不同，实现两个类显得有点冗余。如果问题是在于类型上差异导致的，可以将两个封装到同一个类中，使用模板实现。

typedef ListIterator<T, T&, T*> Iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_Iterator;template<class T,class Ref, class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef  ListIterator<T,Ref,Ptr> Self;Node* _node;//迭代器还是依赖指针，通过类来改变运算符的行为//这里是浅拷贝 拷贝构造函数ListIterator(Node* node):_node(node){}//Self& operator++()Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//后缀++Self operator++(int){//构造一个tmp临时变量Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//后缀--Self operator--(int){//构造一个tmp临时变量Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}// T& operator* ()Ref operator* (){return _node->_data;}//通过指针指向的节点去判断是否相等bool operator==(const Self& it){return _node == it._node;}bool operator!=(const Self& it){return _node != it._node;}//T* operator->()Ptr operator->(){return &_head->_data;}};

2.9 打印链表元素

void PrintList(const list<int>& clt)
{list<int> ::Iterator it = clt.begin();while (it != clt.end()){*it += 10;cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}

三、常规接口实现

3.1 构造函数

    void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}

构造和拷贝构造都需要一份节点，那么可以复用一份

这里不需要对_data进行初始化，在new Node时已经完成

    list(){empty_init();}

3.2 拷贝构造

    list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto e : lt){push_back(e);}}

3.3 operator= 赋值运算符

    list<T>& operator=(list<T> it){swap(it);			 return *this;}

3.4 clear 清除

void clear()
{Iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}
}

说明:

• 这里是简单的资源清除，没有删除哨兵位
• 同时在使用erase时，需要将下一个位置迭代器返回

3.5 ~list 析构函数

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

3.6 size 查看当前链表元素个数

    //获得基本信息size_t size(){return _size;}

3.7 empty 判空

bool empty()
{return _size == 0;
}

List.h

#include <iostream>using namespace std;//链表 任意位置插入 不怕迭代器失效
//链表 任意位置删除 怕迭代器失效 对此需要传下一个位置的迭代器
namespace bit
{//节点template<class T>struct ListNode{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;//创建节点，是传数据创建的ListNode(const T& x = T()):_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(x){}};//template<class T>//template<class T,class Ref, class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef  ListIterator<T,Ref,Ptr> Self;Node* _node;//迭代器还是依赖指针，通过类来改变运算符的行为//这里是浅拷贝 拷贝构造函数ListIterator(Node* node):_node(node){}//Self& operator++()Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//后缀++Self operator++(int){//构造一个tmp临时变量Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//后缀--Self operator--(int){//构造一个tmp临时变量Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}// T& operator* ()Ref operator* (){return _node->_data;}//通过指针指向的节点去判断是否相等bool operator==(const Self& it){return _node == it._node;}bool operator!=(const Self& it){return _node != it._node;}//T* operator->()Ptr operator->(){return &_head->_data;}};//template<class T>//struct ListConIterator//{//	typedef ListNode<T> Node;//	typedef  ListConIterator<T> Self;//	//只针对解引用 修改了迭代器的行为 但是++ --是将迭代器位置改变，迭代器指向的内容不能被修改//	Node* _node;//	//迭代器还是依赖指针，通过类来改变运算符的行为//	//这里是浅拷贝 拷贝构造函数//	ListIterator(Node* node)//		:_node(node)//	{}//	Self& operator++()//	{//		_node = _node->_next;//		return *this;//	}//	//后缀++//	Self operator++(int)//	{//		//构造一个tmp临时变量//		Self tmp(*this);//		_node = _node->_next;//		return tmp;//	}//	//这里需要判断空//	Self& operator--()//	{//		_node = _node->_prev;//		return *this;//	}//	////	//	//后缀--//	 Self operator--(int) //	{//		//构造一个tmp临时变量//		Self tmp(*this);//		_node = _node->_prev;//		return tmp;//	}//	 //	 T& operator* () //	{//		return _node->_data;//	}//	//通过指针指向的节点去判断是否相等//	bool operator==(const Self& it)//	{//		return _node == it._node;//	}//	bool operator!=(const Self& it)//	{//		return _node != it._node;//	}//	 T* operator->() //	{//		return &_head->_data;//	}//};template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public://typedef  ListIterator<T> Iterator;typedef ListIterator<T, T&, T*> Iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_Iterator;//不要传引用，不要修改这些位置Iterator begin(){//return Iterator(_head->_next);//单参数的拷贝构造函数支持隐式类型转换return _head->_next;}Iterator end(){//return Iterator(_head);return _head;}const Iterator begin() const{return _head->_next;}const Iterator end() const{return _head;}const_Iterator begin() const{//return Iterator(_head->_next);//单参数的拷贝构造函数支持隐式类型转换return _head->_next;}const_Iterator end() const{//return Iterator(_head);return _head;}//构造-->同时拷贝需要也需要一份节点 那么就可以复用同一份void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;//不需要 newndoe->date 在实例化时，data已经是0了_size = 0;}list(){empty_init();}//拷贝构造list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto e : lt){push_back(e);}}list<T>& operator=(list<T>& it){swap(it);			 return *this;}void swap(list<T>& it){std::swap(_head, it._head);std::swap(_size, it._size);}//通过迭代器来实现void  insert(Iterator pos, const T& val){Node* newnode = new Node(val);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;newnode->_next = cur;newnode-> _prev = prev;cur->_prev = newnode;prev->_next = newnode;_size++;}//这些需要使用迭代器作为返回类型，怕出现迭代器失效Iterator& erase(Iterator pos){Node* cur = pos._node;Node* next = cur->_next;Node* prev = cur->_prev;delete cur;next->_prev = prev;prev->_next = next;_size--;//注意点return Iterator(next);}void push_back(const T& val){insert(end(), val);}void pop_back(){erase(--end());}void push_front(const T& val){insert(begin(), val);}void pop_front(){erase(begin());}void clear(){Iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}~list(){clear();				delete _head;_head = nullptr;}//获得基本信息size_t size(){return _size;}bool empty(){return _size == 0;}private://创建哨兵位Node* _head;size_t _size;};struct A{int a1 = 0, a2 = 0;A(int a1 , int a2):a1(1),a2(2){}};void PrintList(const list<int>& clt){list<int> ::Iterator it = clt.begin();while (it != clt.end()){*it += 10;cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}void list_test(){//list<int> it;先插入//it.push_back(1);//it.push_back(2);//list<int> :: Iterator lt = it.begin();//A* ptr = &a1// (*ptr).a1;// ptr->_a1//返回的是临时变量 是一份临时拷贝 具有常性list<A> lt;list<A> ::Iterator it = lt.begin();lt.push_back(A(1,2));lt.push_back({3,3});while (it != lt.end()){cout << *it;it++;}}
}

以上就是本篇文章的所有内容，在此感谢大家的观看！这里是店小二呀C++笔记，希望对你在学习C++语言旅途中有所帮助！