C++STL——容器-list(含模拟实现，即底层原理)(含迭代器失效问题)(所有你不理解的问题，这里都有解答，最详细）

2025-04-27 11:00:45 0 阅读

1.迭代器的分类

2.list的使用

2.1 list的构造

2.2 list iterator

2.3 list capacity

2.4 list element access

编辑

2.5 list modifiers

编辑2.5.1 list插入和删除

2.5.2 insert /erase

2.5.3 resize/swap/clear

编辑

2.6 list的一些其他接口

2.6.1 splice

2.6.2 remove

2.6.3 sort

3.list的模拟实现

4.最后一个问题

1.迭代器的分类

这里需要说明一些东西：

1.就是下面的是上面的子类：比如双向迭代器是单向迭代器的子类（这个父子类的判断，跟迭代器的功能可没关系，不要说双向迭代器的功能比单向多，就说单向是双向的子类，不是这么来判断的）。

2.还有就是看上面的第二张图，越往后，迭代器的功能就越多，而且，都是对上一个迭代器的功能进行了继承并拓展。比如:双向迭代器的功能有++/--，而单向迭代器有++，双向迭代器是不是继承了单向迭代器的功能，并实现了拓展？是的！

2.list的使用

2.1 list的构造

list l1; // 构造空的l1

list l2(4, 100); // l2中放4个值为100的元素

list l3(l2.begin(), l2.end()); // 用l2的[begin(), end()）左闭右开的区间构造l3

list l4(l3); // 用l3拷贝构造l4

list l6={ 1,2,3,4,5 };//初始化列表初始化l6

2.2 list iterator

其实，对于lterator，也就跟前面的那几个一样使用就行，只不过，这里需要注意的是，vector是原生态指针，而list是对原生态指针（节点指针）进行封装，（模板），后面的模拟实现会讲。

注意：遍历链表只能用迭代器和范围for

2.3 list capacity

2.4 list element access

2.5 list modifiers

2.5.1 list插入和删除

push_back/pop_back/push_front/pop_front

2.5.2 insert /erase

2.5.3 resize/swap/clear

2.6 list的一些其他接口

2.6.1 splice

C++11相对于C++98来说增加了一个"模板特化"，这个东西咱们后面会出一期模板专题，专门来讲这个模板。那么接下来先不看模板特化，先看引用。

这个接口的作用是将一个链表中的数据裁剪（裁剪后，原链表中的数据将消失），到另一个链表中。接下来看官方库中的代码例子来理解：

std::list mylist1, mylist2;
  std::list::iterator it;

  // set some initial values:
  for (int i=1; i<=4; ++i)
     mylist1.push_back(i);      // mylist1: 1 2 3 4

  for (int i=1; i<=3; ++i)
     mylist2.push_back(i*10);   // mylist2: 10 20 30

  it = mylist1.begin();
  ++it;                         // points to 2

  mylist1.splice (it, mylist2); // mylist1: 1 10 20 30 2 3 4
                                // mylist2 (empty)
                                // "it" still points to 2 (the 5th element)
                                          
  mylist2.splice (mylist2.begin(),mylist1, it);
                                // mylist1: 1 10 20 30 3 4
                                // mylist2: 2
                                // "it" is now invalid.
  it = mylist1.begin();
  std::advance(it,3);           // "it" points now to 30

  mylist1.splice ( mylist1.begin(), mylist1, it, mylist1.end());
                                // mylist1: 30 3 4 1 10 20

直接来看mylist1.splice ，这个的意思是将mylist2中的数据剪裁到 it指向的那个数据之前的位置，并将原mylist2中的数据清零。

第二个：将mylist1中的原it指向的数据（2），剪裁到mylist2的begin()指向的位置。

第三个：将mylist1中的从it位置开始，end()结束的数据（30，3，4）剪裁到begin()的位置。

2.6.2 remove

void remove (const value_type& val);

删除链表中值为val的数据。

2.6.3 sort

其实list中的sort无法使用算法库中的sort，因为算法库中的sort实现是靠+/-来实现，但是list迭代器不支持+/-，而且，相对于vector来说，list的sort排序，特别对于一些特别大的数据来说，效率会很低。

3.list的模拟实现

其实，list的模拟实现还是比较难的，咱们以前模拟实现的vector，string难在它的实现上面，而list的模拟实现难在它的实现框架上面，那么下面让博主来帮助你们理解吧。

这个分为三个重要的模板。

1.一个是对于链表中的节点的模板（因为数据T可能有不同的类型）

2.一个是对于迭代器实现的模板，那这时候就要有人问了：以前的vector不是没有迭代器实现模板吗？这不一样，list的迭代器是对原生态指针的封装，就是一个模板。而且，在这里的iterator相当于是类了，就是好像不再是指针，但还是具有指针的效果。

3.最后一个就是整个的list链表它也是一个模板。

那么接下来让咱们来看看模板吧，等会我会把为什么这么写的目的，以及细节全部讲透。

//这是第一个类模板

template

struct list_node

{

        list_node* _next;

        list_node* _prev;

        T _data;//注意，这里的_data是模板数据，后面会用到这个知识点。

        list_node(const T& x = T())//初始化

        :_next(nullptr)

        ,_prev(nullptr)

        ,_data(x)

        {}

};
//这是第二个类模板
// typedef list_iterator iterator;

// typedef list_iterator const_iterator;

template

struct list_iterator

{

        typedef list_node Node;

        typedef list_iterator Self;

        Node* _node;

        list_iterator(Node* node)//初始化

        :_node(node)

        {}

};

//这是第三个类模板

template

class list

{

        typedef list_node Node;

        public:

        typedef list_iterator iterator;

        //typedef list_const_iterator const_iterator;

        typedef list_iterator const_iterator;

List() //初始化
{
   _head = new Node;
   _head->_prev = _head;
   _head->_next = _head;
   _size = 0;
}

private:

        Node* _head;

        size_t _size;

};

每一个类或者类模板写出来后，一定要记得初始化，这里需要注意一点，也是我写代码的时候发现的：当你写一个类的时候，一定要注意，这个类的构造尤其重要，就比如我这个，我如果说不写这个构造的话，那么编译器会默认构造，那么_head就是空，你是在end()位置插入，也就是_head位置，你的_head还是空，当你的pos._node获得节点的时候，这个还是空呢，是访问不了任何成员的。因为下面要用到cur去访问，所以记住，空节点访问不了任何成员。

这个注意事项涉及到insert的模拟实现的，所以在这里咱们先把insert的模拟实现写了。

这里涉及到几个老生常谈的问题：

1.连接链表的时候的顺序问题，一般先将新插入的链表连接好，（当然，你要是说先将各个要用到的节点重新定义一下，那就不要管顺序的问题了），顺序的问题就是为了避免有找不到节点的情况出现。

2.这里的pos是迭代器类型，不是说迭代器是指针嘛？怎么访问它的成员变量不应该用->嘛？怎么用"."呢？这个问题，咱们后面跟另外一个问题一起将。（标题：最后一个问题处）

好，那么咱们接下来接着往后看模拟实现：

第一个类模板已经实现完了，接下来看第二个类模板的实现：

// typedef list_iterator iterator;

// typedef list_iterator const_iterator;

template
struct list_iterator
{
   typedef list_node Node;
   typedef list_iterator Self;
   Node* _node;//定义一个节点

list_iterator(Node* node)
       :_node(node)//初始化那个节点
   {}
   Ref operator*()
   {
       return _node->_data;
   }
   Ptr operator->()
   {
       return &_node->_data;
   }
   //前置++
   Self& operator++()
   {
       _node = _node->_next;
       return *this;
   }
   //后置++
   Self operator++(int)
   {
       Self tmp(*this);
       _node = _node->_next;
       return tmp;
   }
   //前置--
   Self& operator--()
   {
       _node = _node->_prev;
       return *this;
   }
   //后置--
   Self operator--(int)
   {
       Self tmp(*this);
       _node = _node->_prev;
       return tmp;
   }
   bool operator!=(const Self &s) const//lt.end()这是个迭代器类型啊，肯定是Self&，怎么能是List呢？
   {
       return _node != s._node;
   }
   bool operator==(const Self& s) const
   {
       return _node == s._node;
   }

};

这里由于放图片，代码太长，影响观看，所以直接用块引用。

1.这个T，Ref，Ptr 都是指代的什么东西呀？首先，这是一个类模板，所以说，这三个肯定都是指代的一类东西。根据上面的两行代码可知，T就是_data的类型，而Ref是T&或const T&，所以知道为什么要写成模板了吧，你要是不写模板，就要实现两次关于T&以及const T&的代码，造成代码冗余。Ptr同理。

2.对于list这样对原生态指针进行封装（类模板）的，都是不可以直接使用*以及->的，都需要自己去自定义实现。这里的typedef也是为了避免代码的冗余。

3.*是对一个指针的解引用，拿到的是数据，所以说，用的是Ref（即T&或const T&），->跟*一样，都是访问元素的操作。只不过在标准迭代器设计中，->应该返回容器中元素的地址（指针）。

一个是元素的地址，一个是元素的引用，返回的都跟元素有关，所以说，是跟T（数据）有关。

4.而++，--，这个是返回的是迭代器本身，因为`operator++`的作用是移动迭代器到下一个位置。

就是移动倒了下一个节点。所以返回`Self`或`Self&`确保了迭代器类型的正确性。如果返回`Ref`或`Ptr`，则会导致类型不匹配。

可以这么理解，就是从小到大，小就是节点中的数据的访问就是返回的是Ref以及Ptr，而大就是整个节点的移动。

5.判断两个节点是否相等，传参用的是self，因为判断节点时候相等，本来就是判断连那两个迭代器是否相等（节点中的元素），因为对元素的访问用的就是迭代器。

好了，这个类模板中的问题我已经说清楚了，接下来看最后一个类模板。

template
class list
{
   typedef list_node Node;
public:
   typedef list_iterator iterator;
   typedef list_iterator const_iterator;
   iterator begin()
   {
       return iterator(_head->_next);
   }
   iterator end()
   {
       return iterator(_head);//注意是_head,不是_head->_prev
   }
   const_iterator begin() const //后面的这个const 不能忘了
   {
       return const_iterator(_head->_next);
   }
   const_iterator end() const
   {
       return const_iterator(_head);//注意是_head,不是_head->_prev
   }
   /*~list()
   {
       _data = nullptr;
       _head->_next = _head->_prev = _head;
   }*/
   //你这个写的不是析构，顶多算是初始化，只有一个哨兵位。
   ~list()
   {
       clear();
       delete _head;
       _head = nullptr;//别忘了置为空
   }
   //拷贝构造
   list(List& s)
   {
       _head = new Node;
       _head->_next = _head;
       _head->_prev = _head;

       _size = 0;
       for (auto& e : s)
       {
           push_back(e);
       }
   }
   //lt2=lt3
   list& operator=(List ta)
   {
       swap(ta);
       return *this;
   }
   void swap(List& ta)
   {
       std::swap(_head, ta._head);
       std::swap(_size, ta._size);
   }
   list(initializer_list il)//列表初始化的模拟实现
   {
       _head = new Node;
       _head->_next = _head;
       _head->_prev = _head;

       _size = 0;
       for (auto& e : il)
       {
           push_back(e);
       }
   }
   void clear()//clear的模拟实现
   {
       List::iterator it = begin();
       while (it != end())
       {
           it=erase(it);
           it++;
       }
   }

   //当你写一个类的时候，一定要注意，这个类的构造尤其重要
       //就比如我这个，我如果说不写这个构造的话，那么编译器会默认构造，那么_head就是空
       //你是在end()位置插入，也就是_head位置，你的_head还是空，
       //当你的pos._node获得节点的时候，这个还是空呢，是访问不了任何成员的。
   list()   //因为下面要用到cur去访问，所以记住，空节点访问不了任何成员
   {
       _head = new Node;
       _head->_prev = _head;
       _head->_next = _head;
       _size = 0;
   }

   void insert(iterator pos,const T& x)
   {

       /*Node* cur = pos._node;*/
       /*newnode->_next = pos._node;
       newnode->_prev = _head;
       pos._node->_prev = newnode;
       _head->_next = newnode;*/
       Node* cur = pos._node;
       Node* prev = cur->_prev;
       Node* newnode = new Node(x);
       //prev newnode cur
       newnode->_next = cur;
       newnode->_prev = prev;
       prev->_next = newnode;
       cur->_prev = newnode;
       ++_size;
   }
   iterator erase(iterator pos)
   {
       assert(pos != end());
       Node* cur = pos._node;
       Node* next = cur->_next;//这儿有错
       Node* prev = cur->_prev;
       next->_prev = prev;
       prev->_next = next;
       delete cur;
       cur = nullptr;
       --_size;
       return next;
       //return iterator(next)
       //这样写也可以，第二种写法，这个类型也是iterator的，正好
       //第一种写法也可以，只不过单参数返回支持隐式类型转换，所以说也不要担心他的类型问题。
   }
   void push_back(const T& x)
   {
       insert(end(), x);
   }
   void push_front(const T& x)
   {
       insert(begin(), x);
   }
   void pop_back()
   {
       erase(--end());
   }
   void pop_front()
   {
       erase(begin());
   }
private:
   Node* _head;
   size_t _size;
};

1.为什么这里的erase返回的是next（下一个位置）？而vector中返回的是原位置？这里都涉及到迭代器失效的问题，不过呢，vector的底层是数组啊，底层是连续的，而且它的erase后，后面的元素都得往前移动一个，所以说vector的erase返回的还是下一个元素位置，只不过下一个元素的位置现在是被删除元素的位置。而list的erase后，所有的元素的位置并不发生任何变化，所以说这个返回的是真真正正的下一个元素的位置。

2.list迭代器失效：

前面说过，此处大家可将迭代器暂时理解成类似于指针，迭代器失效即迭代器所指向的节点的无效，即该节点被删除了。因为list的底层结构为带头结点的双向循环链表，因此在list中进行插入时是不会导致list的迭代器失效的，只有在删除时才会失效，并且失效的只是指向被删除节点的迭代器，其他迭代器不会受到影响。

3.这里有些博友可能会有些疑问：iterator begin（）不是迭代器嘛？不是应该定义在iterator那个模板中嘛？为什么会出现在list这个大模板中？

首先，begin()和end()是容器的成员函数，属于容器的接口，用于获取容器的起始和结束迭代器。迭代器类本身不负责管理容器的元素范围，它只负责遍历和访问元素。因此，begin()的位置应该在容器类中，而不是迭代器类里。

其次：迭代器的作用是提供一种访问容器元素的方法，但它并不了解容器的内部结构，比如链表的头节点_head的位置。只有容器自己知道如何获取起始和结束的位置，所以容器必须提供这些方法。如果让迭代器自己生成begin()，它需要访问容器的私有成员（如_head），这会破坏封装性，或者需要将迭代器设为容器的友元，增加耦合。

总结下来就是list中实现的是整个迭代器，而iterator中实现的是迭代器对元素的访问，并不关心整个迭代器是怎么运行的，搭建的，它只关心怎么访问数据。其实这种设计符合面向对象的原则，容器管理数据，迭代器提供访问方式，各司其职。

好，还剩下几个问题，把他们说清楚：

1.为什么前两个模板都是使用struct？使用class不可以吗？

首先看list_node结构体，它有三个成员变量：_next、_prev和_data，构造函数也是public的。如果用class的话，默认是private，需要显式声明public才能让外部访问这些成员。而用struct的话，构造函数和成员变量默认都是public的，这样在list类中可以直接访问这些成员，比如在list的insert或erase函数里，可以直接操作节点的_next和_prev指针。为了更方便的访问成员变量，且要频繁的访问成员变量，就将那个类置为struct。

struct用于那些需要所有成员公开的情况，比如节点和迭代器，而class用于需要封装的情况，比如容器本身。这样的选择主要是基于默认访问权限的不同，简化代码的同时保持必要的封装性。

2.这三个模板写一块不可以吗？为什么要分开写？

首先，我需要确认这三个模板各自的职责：

1. **list_node**：通常是一个结构体，包含数据和指向前后节点的指针，作为链表的节点。

2. **list_iterator**：迭代器类，用于遍历链表，提供操作符重载如++、--、*、->等。

3. **list**：链表类本身，管理节点的创建、删除，提供插入、删除等接口。

而之所以不把他们设置为一个类，是因为你的class中的成员变量不想被别人访问，但是你的其他的类中的成员变量确实被频繁访问，要是都放到一个类中，那肯定就混乱了。

其实就是每个模板负责不同的职责，分离关注点，符合良好的面向对象设计原则。

4.最后一个问题

先来看一段代码：

struct AA

{

        int _a1;

        int _a2;

        AA(int a1 = 1, int a2 = 1)

                :_a1(a1)

                ,_a2(a2)

                {}

};

list lt1;

lt1.push_back({ 1,1 });

lt1.push_back({ 2,2 });

lt1.push_back({ 3,3 });

list::iterator lit1 = lt1.begin();

while (lit1 != lt1.end())

{

        //cout << (*lit1)._a1 <<":"<< (*lit1)._a2 << endl;

        // 特殊处理，省略了一个->,为了可读性

        cout << lit1->_a1 << ":" << lit1->_a2 << endl;

        cout << lit1.operator->()->_a1 << ":" << lit1.operator->()->_a2 << endl;

        ++lit1;

}

cout << endl;

1.好，咱们先来处理那个遗留下来的问题：为什么pos后要用"."来访问成员变量，首先：这个地方iterator是一个类，不是指针，所以，pos是这个类实例化出的对象，所以现在知道这里为什么用“."来访问成员变量了吧。

2.这里，原先咱们说T是一个数据类型对吧，那么这里的AA就是_data，所以，_data中还有数据：_a1,_a2。所以，这里_data就是一个struct类。

2.1先来看注释掉的那个代码，其实是调用了operator*,返回的是AA&，而AA又是一个类，所以访问其中的元素就是用到了"."。

2.2

-> 用于指针：当变量是指向结构体/类类型的指针时，用 -> 访问成员（等价于 (*lit1)._a1）。

lit1.operator->()->_a1是类实例化出的lit1对象，先调用operator->()重载，返回的是AA*，而AA（_data)是个类，所以再次访问AA类中的成员变量需要用到_>。

其实这个等价于lit1._node->_data._a1。

且 lit1.operator->()->_a1简写就是lit1->_a1。

lit1->_a1:调用 list_iterator::operator->()，返回指向当前节点数据（AA 对象）的指针（AA*）。等价代码：AA* ptr = &(lit1._node->_data); // operator-> 返回 &_data cout << ptr->_a1 << ":" << ptr->_a2 << endl;

ok,那么关于这个模块的所有问题我已经讲清楚了，各位如果能看到最后，那么经过我的讲解，一定可以理解这些问题。

本篇完...................

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