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手撕C++STL list：深入理解双向链表的实现

news 2025/6/8 8:27:41

1. 引言

3. list 类的实现

(1) 基本结构

(2) 初始化与清理

(3) 插入与删除

(4) 常用接口

4. 测试代码

5. 总结

1. 引言

在C++ STL中，list是一个基于双向链表的容器，支持高效的头尾插入/删除操作（O(1)时间复杂度），但不支持随机访问（O(n)时间复杂度）。本文将带你手写一个简化版的 list，并分析其核心实现。
2. 核心结构：list_node 与 __list_iterator
(1) list_node：链表的节点

template<class T>
struct list_node {list_node<T>* _next;  // 指向下一个节点list_node<T>* _prev;  // 指向前一个节点T _val;               // 存储的数据list_node(const T& val = T()) : _next(nullptr), _prev(nullptr), _val(val) {}
};

双向链表节点，包含前驱（_prev）、后继（_next）指针和数据（_val）。
默认构造函数初始化指针为 nullptr，数据为默认值 T()

(2) __list_iterator：链表的迭代器

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator {typedef list_node<T> Node;typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;Node* _node;  // 当前指向的节点__list_iterator(Node* node) : _node(node) {}// 解引用（获取数据）Ref operator*() { return _node->_val; }// 成员访问（-> 运算符重载）Ptr operator->() { return &_node->_val; }// 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;}// 比较运算符bool operator!=(const self& it) const { return _node != it._node; }bool operator==(const self& it) const { return _node == it._node; }
};

迭代器核心功能：
- operator*()：获取当前节点的数据。
- operator->()：访问当前节点的成员（如 it->_a1）。
- ++ / --：支持双向遍历。
- == / !=：判断迭代器是否指向同一节点。

3. `list` 类的实现

(1) 基本结构

template<class T>
class list {typedef list_node<T> Node;
public:typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;         // 普通迭代器typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;  // const迭代器list() { empty_init(); }  // 默认构造~list() { clear(); delete _head; _head = nullptr; }  // 析构// 拷贝构造list(const list<T>& lt) {empty_init();for (auto& e : lt) push_back(e);}// 赋值运算符（现代写法）list<T>& operator=(list<T> lt) {swap(lt);return *this;}// 交换两个链表void swap(list<T>& lt) {std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}
private:Node* _head;   // 哨兵头节点（不存储数据）size_t _size;  // 链表长度
};

关键点：
- 哨兵节点 _head：简化边界条件处理（begin() 是 _head->_next，end() 是 _head）。
- 拷贝构造：深拷贝，逐个插入元素。
- 赋值运算符：现代写法（参数传值 + swap）。

(2) 初始化与清理

void empty_init() {_head = new Node;_head->_prev = _head;_head->_next = _head;_size = 0;
}void clear() {iterator it = begin();while (it != end()) {it = erase(it);}_size = 0;
}

empty_init()：初始化空链表（哨兵节点自环）。
clear()：逐个删除节点，最后重置 _size。

(3) 插入与删除

// 在 pos 前插入
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;++_size;return iterator(newnode);
}// 删除 pos 位置的节点
iterator erase(iterator pos) {assert(pos != end());  // 不能删除哨兵节点Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;--_size;return iterator(next);
}

insert：调整前后指针，插入新节点。
erase：调整指针后删除节点，返回下一个有效迭代器。

(4) 常用接口

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()); }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); }size_t size() const { return _size; }

(4) 常用接口

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()); }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); }size_t size() const { return _size; }

4. 测试代码

void test_list() {list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);for (auto e : lt) cout << e << " ";  // 1 2 3cout << endl;lt.pop_front();for (auto e : lt) cout << e << " ";  // 2 3
}