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引言

在STL容器中，list作为经典的双向链表容器，其迭代器设计体现了C++模板编程的精髓。本文将深入探讨如何从零开始设计一个符合STL规范的list迭代器，揭示其背后的设计哲学和技术细节。

1、链表基础结构

template <class T>
struct list_node {T data_;list_node<T>* next_;list_node<T>* prev_;list_node(const T& data = T()) : data_(data), next_(nullptr), prev_(nullptr) { }
};

每一个节点包含前驱指针、后继指针和数据元素，构成双向链表的基础单元。

2、链表迭代器的封装

list不像vector那样是一段连续的空间，方便通过直接通过+、-来计算地址位置，因此不能采用原生指针进行typedef，需要将节点类型进行封装，通过运算符重载来达到移动“迭代器指针”。

2.1 初步封装迭代器类

template <class T>
struct __list_iterator {typedef list_node<T> node;typedef __list_iterator<T> self;node* node_; // 成员变量，为一个节点的指针__list_iterator(node* node): node_(node) { }// 解引用操作符重载T& operator*() {return node_->data_;}// 后置++操作符重载，完成迭代器的移动self& operator++() {node_ = node_->next_; // 移动到下一个节点return *this;}// !=操作符重载bool operator!=(const self& other) {return node_ != other.node_;}
};

2.2 引入const迭代器

如上述代码，若实现const迭代器，本能的反映是再封装一个迭代器类，但这个类与普通迭代器实现是没有区别的，只是在返回参数上有所改变。而再封装一个类导致了代码的冗余，我们是否可以只封装一个迭代器类，实现const和非const功能呢？

2.2.1 参考STL源代码

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator {typedef __list_iterator<T, T&, T*>             iterator;typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr>           self;
}

• 从STL源代码中我们可以看到，list迭代器在设计中，使用了三个模板参数，分别是：
  • 数据类型T
  • 引用数据类型Ref
  • 指针数据类型Ptr

2.2.2 完善迭代器

template <class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator {typedef list_node<T> node;typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;node* node_; // 成员变量，为一个节点的指针__list_iterator(node* node): node_(node) { }// 解引用操作符重载Ref operator*() {return node_->data_;}// 后置++操作符重载，完成迭代器的移动self& operator++() {node_ = node_->next_; // 移动到下一个节点return *this;}// !=操作符重载bool operator!=(const self& other) {return node_ != other.node_;}// ->操作符重载Ptr operator->() {return &(node_->data_);}
};// typedef迭代器类
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

3、迭代器实现机制

操作类型	失效情况
插入操作	不影响现有迭代器
删除操作	被删除元素的迭代器立即失效
合并/转移操作	被转移元素的迭代器失效

结语

list迭代器设计体现了C++模板元编程的强大能力，通过精巧的类型系统设计和操作符重载，使得链表容器能够无缝接入STL算法体系。理解其实现原理不仅有助于深入掌握STL工作机制，更能提升我们对迭代器设计模式的认识。