C++ STL list 容器详解：使用与模拟实现
1. list 的介绍及使用
1.1 list 的介绍
list 是 C++ STL 中的一个重要容器，它是一个带头结点的双向循环链表。与 vector 不同，list 在任意位置插入和删除元素的时间复杂度都是 O(1)，但不支持随机访问（即不能通过下标直接访问元素）。
1.2 list 的使用
list 提供了丰富的接口，下面我们介绍其中一些常见且重要的接口。
1.2.1 list 的构造
| 构造函数 | 接口说明 |
|---|---|
list(size_type n, const value_type& val) | 构造包含 n 个值为 val 的元素的 list |
list() | 构造空的 list |
list(const list& x) | 拷贝构造函数 |
list(InputIterator first, InputIterator last) | 用区间 [first, last) 中的元素构造 list |
1.2.2 list 迭代器的使用
迭代器可以暂时理解为指向 list 中某个节点的指针。
begin()：返回指向第一个元素的迭代器end()：返回指向最后一个元素下一个位置的迭代器rbegin()：返回指向最后一个元素的反向迭代器（即 end() 位置）rend()：返回指向第一个元素前一个位置的反向迭代器（即 begin() 位置）
注意：
begin和end是正向迭代器，++ 向后移动。rbegin和rend是反向迭代器，++ 向前移动。
1.2.3 list capacity
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
empty() | 检测 list 是否为空 |
size() | 返回 list 中有效节点的个数 |
1.2.4 list element access
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
front() | 返回第一个节点中值的引用 |
back() | 返回最后一个节点中值的引用 |
1.2.5 list modifiers
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
push_front | 在 list 首元素前插入值为 val 的元素 |
pop_front | 删除 list 中第一个元素 |
push_back | 在 list 尾部插入值为 val 的元素 |
pop_back | 删除 list 中最后一个元素 |
insert | 在 position 位置插入值为 val 的元素 |
erase | 删除 position 位置的元素 |
swap | 交换两个 list 中的元素 |
clear | 清空 list 中的有效元素 |
1.2.6 list 的迭代器失效
由于 list 的底层是双向循环链表，插入操作不会导致迭代器失效。只有在删除元素时，指向被删除节点的迭代器才会失效，其他迭代器不受影响。
错误的删除写法：
while (it != l.end()) {
l.erase(it); // it 失效
++it; // 错误，it 已无效
}
2. list 的模拟实现
2.1 基本结构
2.1.1 节点类 (list_node)
template<class T> class list_node {
public:
T _data;
list_node<T>* _next;
list_node<T>* _prev;
list_node(const T& data = T()) :_data(data), _next(nullptr), _prev(nullptr) {}
};
这是 list 的基础节点结构，采用双向链表设计，每个节点包含：
_data: 存储实际数据_next: 指向下一个节点_prev: 指向上一个节点
2.1.2 迭代器类 (list_iterator)
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct list_iterator {
typedef list_node<T> Node;
typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;
Node* _node;
list_iterator(Node* node) :_node(node) {}
Ref operator*() { return _node->_data; }
Ptr operator->() { return &_node->_data; }
Self& operator++() { _node = _node->_next; return *this; }
Self operator++(int) { Self tmp(*this); _node = _node->_next; return tmp; }
Self& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; }
Self operator--(int) { Self tmp(*this); _node = _node->_prev; return tmp; }
bool operator!=(const Self& s) { return _node != s._node; }
};
关键特性：
- 通过模板参数 Ref 和 Ptr 实现 const 和非 const 迭代器的统一
- 支持前后遍历操作
- 支持箭头操作符访问成员
2.2 list 容器类
2.2.1 类型定义和迭代器
template<class T> class list {
typedef list_node<T> Node;
public:
// 迭代器定义
typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
// 获取迭代器
iterator begin() { return _head->_next; }
iterator end() { return _head; }
const_iterator begin() const { return _head->_next; }
const_iterator end() const { return _head; }
迭代器转换机制：
- Node* 可以隐式转换为 iterator，因为 list_iterator 有单参数构造函数
- begin() 返回第一个有效元素位置
- end() 返回头节点位置，符合 STL 左闭右开原则
2.2.2 构造函数和初始化
void empty_init() {
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
_size = 0;
}
list() { empty_init(); }
// 拷贝构造
list(list<T>& lt) {
empty_init();
for (auto& e : lt) { push_back(e); }
}
// 初始化列表构造
list(initializer_list<int> il) {
empty_init();
for (auto& e : il) { push_back(e); }
}
2.2.3 插入操作
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 newnode; // 返回新插入节点的迭代器
}
void push_back(const T& x) { insert(end(), x); }
void push_front(const T& x) { insert(begin(), x); }
2.2.4 删除操作
iterator erase(iterator pos) {
assert(pos != end()); // 不能删除头节点
Node* prev = pos._node->_prev;
Node* next = pos._node->_next;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete pos._node;
--_size;
return next; // 返回下一个有效位置的迭代器
}
void pop_back() { erase(--end()); }
void pop_front() { erase(begin()); }
迭代器失效处理：
- erase 返回下一个有效位置的迭代器
- 正确处理删除操作后的迭代器续接
2.2.5 容量操作
size_t size() const { return _size; }
bool empty() const { return _size == 0; }
void clear() {
auto it = begin();
while (it != end()) {
it = erase(it); // erase 返回下一个地址
}
}
2.2.6 赋值操作
list<T>& operator=(list<T> lt) {
swap(lt);
return *this;
}
void swap(list<T>& lt) {
std::swap(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
2.3 迭代器模板技巧
// 使用模板参数实现 const 和非 const 迭代器的统一
typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
这种设计避免了重复代码，只需要一个模板类就能同时支持普通迭代器和 const 迭代器。
2.4 测试示例
// 测试基本功能
void test_list01() {
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
// 遍历输出
list<int>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end()) {
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
// 测试迭代器失效
void test_list02() {
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
// insert 不会导致迭代器失效
list<int>::iterator it = lt.begin();
lt.insert(it, 10);
*it += 100; // 仍有效
// erase 会导致当前迭代器失效
it = lt.begin();
while (it != lt.end()) {
if (*it % 2 == 0) {
it = lt.erase(it); // 必须接收返回值
} else {
++it;
}
}
}
源代码
#pragma once
#include<assert.h>
namespace bit {
template<class T> class list_node {
public:
T _data;
list_node<T>* _next;
list_node<T>* _prev;
list_node(const T& data = T()) :_data(data), _next(nullptr), _prev(nullptr) {}
};
template<class T,class Ref,class Ptr>
struct list_iterator {
typedef list_node<T> Node;
typedef list_iterator<T,Ref,Ptr> Self;
Node* _node;
list_iterator(Node* node) :_node(node) {}
Ref operator*() { return _node->_data; }
Ptr operator->() { return &_node->_data; }
Self& operator++() { _node = _node->_next; return *this; }
Self operator++(int) { Self tmp(*this); _node = _node->_next; return tmp; }
Self operator--(int) { Self tmp(*this); _node = _node->_prev; return tmp; }
Self& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; }
bool operator!=(const Self& s) { return _node != s._node; }
};
template<class T> class list {
typedef list_node<T> Node;
public:
typedef list_iterator<T,T&,T*> iterator;
typedef list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;
iterator begin() { return _head->_next; }
iterator end() { return _head; }
const_iterator begin() const { return _head->_next; }
const_iterator end() const { return _head; }
void empty_init() {
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
_size = 0;
}
list() { empty_init(); }
~list() { clear(); delete _head; _head = nullptr; }
void clear() {
auto it = begin();
while (it != end()) {
it = erase(it);
}
}
list<T>& operator=(list<T> lt) { swap(lt); return *this; }
void swap(list<T>& lt) { std::swap(_head, lt._head); std::swap(_size, lt._size); }
list(list<T>& lt) {
empty_init();
for (auto& e : lt) { push_back(e); }
}
list(initializer_list<int> il) {
empty_init();
for (auto& e : il) { push_back(e); }
}
void push_back(const T&x) { insert(end(), x); }
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 newnode;
}
void push_front(const T& x) { insert(begin(), x); }
void pop_back() { erase(--end()); }
void pop_front() { erase(begin()); }
iterator erase(iterator pos) {
assert(pos != end());
Node* prev = pos._node->_prev;
Node* next = pos._node->_next;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete pos._node;
return next;
}
size_t size() const { return _size; }
bool empty() const { return _size == 0; }
private:
Node* _head;
size_t _size;
};
struct AA {
int _a1;
int _a2;
};
template<class Container>
void print_container(const Container& con) {
auto it = con.begin();
while (it != con.end()) {
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
void test_list01() {
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
list<int>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end()) {
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
list<AA> lta;
lta.push_back(AA());
lta.push_back(AA());
lta.push_back(AA());
lta.push_back(AA());
list<AA>::iterator ita = lta.begin();
while (ita != lta.end()) {
cout << ita->_a1 << ":" << ita->_a2 << endl;
++ita;
}
cout << endl;
print_container(lt);
}
void test_list02() {
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
list<int>::iterator it = lt.begin();
lt.insert(it, 10);
*it += 100;
print_container(lt);
it = lt.begin();
while (it != lt.end()) {
if (*it % 2 == 0) {
it=lt.erase(it);
} else {
++it;
}
}
print_container(lt);
}
void test_list03() {
list<int> lt1;
lt1.push_back(1);
lt1.push_back(2);
lt1.push_back(3);
lt1.push_back(4);
list<int> lt2(lt1);
print_container(lt1);
print_container(lt2);
list<int> lt3;
lt3.push_back(10);
lt3.push_back(20);
lt3.push_back(30);
lt3.push_back(40);
lt1 = lt3;
print_container(lt1);
print_container(lt3);
}
void func(const list<int>& lt) {
print_container(lt);
}
void test_list04() {
list<int> lt0({ 1,3,5 });
list<int> lt1={1, 2, 3, 4, 5};
print_container(lt1);
auto il = { 1,2,3,4 };
cout << typeid(il).name() << endl;
func(lt1);
func({ 1,3,6,7 });
}
};
2.5 设计要点总结
- 双向循环链表：头节点连接首尾，简化边界处理
- 迭代器封装：隐藏底层指针，提供统一接口
- 模板复用：通过模板参数减少代码重复
- 异常安全：正确管理资源，避免内存泄漏
- STL 兼容：遵循 STL 接口规范
这个实现展示了 list 容器的核心机制，包括节点管理、迭代器设计、插入删除操作等关键技术点。
3. list 与 vector 的对比
| 对比维度 | vector | list |
|---|---|---|
| 底层结构 | 动态顺序表，连续空间 | 带头结点的双向循环链表 |
| 随机访问 | 支持 O(1) | 不支持，访问元素 O(N) |
| 插入删除 | 任意位置效率低 O(N)，可能增容 | 任意位置效率高 O(1) |
| 空间利用率 | 连续空间，内存碎片少，缓存友好 | 节点动态开辟，易产生内存碎片 |
| 迭代器类型 | 原生态指针 | 对节点指针进行封装 |
| 迭代器失效 | 插入删除可能导致全部或部分失效 | 删除时仅当前迭代器失效 |
