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前言

在C++标准模板库(STL)中，list是一个非常重要的容器，它实现了双向链表的数据结构。本文将深入探讨如何从零开始实现一个完整的list容器，包括节点设计、迭代器实现和核心功能。

整体结构设计

节点设计

首先我们需要定义链表的基本单元——节点：

cpp

template<class T>
struct list_node
{T _val;list_node<T>* _prev;list_node<T>* _next;list_node(const T& val = T()): _val(val), _prev(nullptr), _next(nullptr){}
};

每个节点包含三个部分：

• _val: 存储数据值

• _prev: 指向前一个节点的指针

• _next: 指向后一个节点的指针

迭代器设计

迭代器是容器的"智能指针"，我们使用模板技巧实现iterator和const_iterator：

cpp

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct list_iterator
{typedef list_node<T> Node;typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* _node;// 构造函数和运算符重载...
};

这种设计巧妙之处在于通过模板参数Ref和Ptr区分普通迭代器和常量迭代器：

• iterator: list_iterator<T, T&, T*>

• const_iterator: list_iterator<T, const T&, const T*>

核心实现解析

构造函数与初始化

cpp

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

这里使用了哨兵节点（头节点）技术，让链表形成环形结构，简化边界条件处理。

拷贝控制：拷贝构造与赋值

cpp

// 拷贝构造函数
list(const list<T>& lt)
{empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}
}// 赋值运算符（使用Copy-and-Swap技术）
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);
}

赋值运算符采用传值方式，这实现了Copy-and-Swap惯用法：

1. 参数it通过传值接收（可能是拷贝或移动构造）

2. 交换当前对象与参数的内容

3. 返回时参数自动析构，释放旧资源

这种方法异常安全且代码简洁，同时支持拷贝和移动赋值。

迭代器操作

cpp

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

迭代器范围是左闭右开区间[begin, end)，end()返回头节点，符合STL惯例。

元素访问与修改

cpp

// 插入操作
void insert(iterator pos, const T& x)
{Node* newnode = new Node(x);newnode->_prev = pos._node->_prev;newnode->_next = pos._node;pos._node->_prev->_next = newnode;pos._node->_prev = newnode;_size++;
}// 删除操作
iterator erase(iterator pos)
{assert(pos != end());Node* next_node = pos._node->_next;pos._node->_prev->_next = pos._node->_next;pos._node->_next->_prev = pos._node->_prev;delete pos._node;_size--;return next_node;
}

erase()函数返回下一个有效迭代器，这是为了防止迭代器失效。

容量操作

cpp

size_t size() const { return _size; }
bool empty() const { return _size == 0; }
void clear()
{auto it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}
}

维护_size变量可以在O(1)时间内获取元素个数，比遍历链表更高效。

关键技术亮点

1. 哨兵节点技术：简化边界条件处理，使代码更加健壮

2. 模板迭代器：使用单一模板实现普通和常量迭代器，减少代码重复

3. Copy-and-Swap：优雅的赋值运算符实现，保证异常安全

4. RAII原则：构造函数分配资源，析构函数释放资源

5. STL兼容：接口设计符合STL标准，可以无缝替换std::list

使用示例

cpp

ym::list<string> myList;
myList.push_back("Hello");
myList.push_back("World");
myList.push_front("C++");// 遍历打印
for (const auto& str : myList) {cout << str << " ";
}
// 输出: C++ Hello World// 链式赋值
ym::list<string> list1, list2, list3;
list1 = list2 = list3; // 支持链式操作