深度剖析C++STL：手持list利剑，破除编程重重难题（下）

诚丞成2024-11-20 9:01

前言：

上篇我们提到STL中list的相关接口及用法，本篇将从list的底层逻辑出发，手动实现一个建议的list容器。

一. list的底层结构

在 list 的实现中，底层是通过双向链表结构来存储数据。双向链表中的每个节点不仅包含数据，还包含指向前一个节点和后一个节点的两个指针。以下是节点结构的定义：

具体代码示例如下：

namespace W {
    // 定义链表节点
    template<class T>
    struct ListNode {
        T _val;               // 节点存储的值
        ListNode* _prev;      // 指向前一个节点
        ListNode* _next;      // 指向后一个节点

        ListNode(const T& val = T()) : _val(val), _prev(nullptr), _next(nullptr) {}
    };
}

分析：

1. _val表示节点所存储的数据

2. _prev和_next分别表示前驱与后驱指针，方便后续的遍历和对元素的相关操作。

3. 采用模板，有效解决数据类型不同时的代码冗余。

二. list的迭代器

2.1 迭代器的概念与实现

迭代器的作用类似于一个指针，它指向链表中的某个节点，允许我们通过类似指针的方式来访问和操作链表节点。与普通指针不同，迭代器提供了更高级的功能，并且能够保持接口的一致性，因此它成为了 STL 容器中访问元素的核心工具。

为了实现最基本的链表迭代器，首先我们需要定义链表节点的结构。该结构已经在上文定义了。

接下来，我们将实现 ListIterator，它内部保存一个指向 ListNode 的指针 _node，并支持以下基本操作：

  1. 解引用操作 ：通过 *it 访问链表节点中的值。
  2. 前向移动操作 ：通过 ++it 访问链表中的下一个节点。
  3. 比较操作 ：通过 it != end() 判断两个迭代器是否相等。

具体代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class ListIterator {
        typedef ListNode<T> Node;  // 使用 Node 表示链表节点类型

    public:
        // 构造函数，接受一个指向链表节点的指针
        ListIterator(Node* node = nullptr) : _node(node) {}

        // 解引用操作，返回节点的值
        T& operator*() { return _node->_val; }

        // 前向移动操作，指向下一个节点
        ListIterator& operator++() {
            _node = _node->_next;  // 将当前节点移动到下一个节点
            return *this;  // 返回自身以支持链式调用
        }

        // 比较操作，判断两个迭代器是否相等
        bool operator!=(const ListIterator& other) const { return _node != other._node; }

    private:
        Node* _node;  // 迭代器指向的链表节点
    };
}
  1. 构造函数 ：初始化一个指向链表节点的指针 _node，用于遍历链表。
  2. operator* ：返回节点存储的值 _val。
  3. operator++：将迭代器移动到链表中的下一个节点。
  4. operator!=：用于判断两个迭代器是否相等。

2.2 迭代器拼接为list的测试

为了验证我们刚刚实现的迭代器功能，先创建一些链表节点，并将它们链接成一个链表。然后我们使用迭代器遍历链表并输出每个节点的值。

代码示例如下：

#include <iostream>

int main() {
    // 创建三个节点，分别存储值 1、2、3
    W::ListNode<int> node1(1);      
    W::ListNode<int> node2(2);      
    W::ListNode<int> node3(3);      

    // 链接节点形成链表
    node1._next = &node2;  // node1 的下一个节点是 node2
    node2._prev = &node1;  // node2 的前一个节点是 node1
    node2._next = &node3;  // node2 的下一个节点是 node3
    node3._prev = &node2;  // node3 的前一个节点是 node2

    // 创建迭代器，指向第一个节点
    W::ListIterator<int> it(&node1);

    // 使用迭代器遍历链表并输出每个节点的值
    while (it != nullptr) {
        std::cout << *it << std::endl;  // 输出当前节点的值
        ++it;  // 前向移动到下一个节点
    }

    return 0;
}

输出：

1

2

3

2.3 后置++与->运算符的重载

代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class ListIterator {
        typedef ListNode<T> Node;

    public:
        ListIterator(Node* node = nullptr) : _node(node) {}

        // 解引用操作，返回节点的值
        T& operator*() { return _node->_val; }

        // 指针操作，返回节点的指针
        T* operator->() { return &(_node->_val); }

        // 前向移动
        ListIterator& operator++() {
            _node = _node->_next;
            return *this;
        }

        // 后向移动
        ListIterator& operator--() {
            _node = _node->_prev;
            return *this;
        }

        // 比较操作
        bool operator!=(const ListIterator& other) const { return _node != other._node; }

    private:
        Node* _node;
    };
}

我们通过一个测试程序验证迭代器的前向 和后向 移动功能，同时通过 -> 运算符访问链表节点的值。我们会分别测试基本数据类型 int 和自定义类型 CustomType 的场景，展示迭代器在不同数据类型下的使用方式。

  1. 对于 int 类型 ，我们可以通过 *it 来访问节点的值，而不需要使用 *(it->)，虽然 *(it->) 也是合法的，但没有必要。

  2. 对于自定义类型 CustomType ，可以通过 it->x 来访问自定义类型 CustomType 中的成员变量 x

测试代码示例如下：

#include <iostream>

struct CustomType {
    int x;
};

int main() {
    // 创建三个 int 类型的节点，分别存储值 1、2、3
    W::ListNode<int> node1(1);      
    W::ListNode<int> node2(2);      
    W::ListNode<int> node3(3);      

    // 链接节点形成链表
    node1._next = &node2;
    node2._prev = &node1;
    node2._next = &node3;
    node3._prev = &node2;

    // 创建迭代器，初始指向第二个节点
    W::ListIterator<int> it(&node2);

    // 对于 int 类型，使用 *it 访问节点的值
    std::cout << *it << std::endl;  // 输出 2

    // 后向移动，指向第一个节点
    --it;
    std::cout << *it << std::endl;  // 输出 1

    // 前向移动，指向第三个节点
    ++it;
    ++it;
    std::cout << *it << std::endl;  // 输出 3

    // 创建自定义类型 CustomType 的节点
    W::ListNode<CustomType> customNode1({1});
    W::ListNode<CustomType> customNode2({2});
    customNode1._next = &customNode2;
    customNode2._prev = &customNode1;

    // 创建自定义类型 CustomType 的迭代器
    W::ListIterator<CustomType> customIt(&customNode1);

    // 使用 it-> 访问 CustomType 的成员变量 x
    std::cout << customIt->x << std::endl;  // 输出 1

    return 0;
}

输出：

2

1

3

1

分析：

  1. 对于 int 类型的节点，我们通过 *it 访问节点的值，++it 和 --it 分别实现了前向和后向移动。

  2. 对于自定义类型 CustomType 的节点比如说结构体，通过 it->x 可以访问自定义类型成员变量 x。需要注意it->x 是被编译器优化后的代码，其原本类型为 it.operator->()->x。

2.4 常见误区const分析

问题：当模板参数类型被const修饰时，是否可以通过直接在相关接口内添加const修饰的方式进行匹配？

答案是不行！！！

分析：

  1. 在 vector 中，const_iterator 通过 const 修饰符即可实现不可修改的迭代器，这是因为 vector 的底层存储是连续的内存块，通过 const 限制访问的值即可。而 list 的底层是双向链表，迭代器不仅需要访问链表节点的值，还需要操作链表的前驱和后继节点（即 _prev 和 _next 指针）。直接使用 const 修饰迭代器无法满足这些需求，因为 const 限制了对链表结构的必要修改。

  2. const修饰之后会限制成员内所有变量的修改操作，无法进行++，--等操作，也就无法获取list的其他元素。

以下是一个错误代码示例：

#include <iostream>

template<class T>
struct ListNode {
    T _val;
    ListNode* _prev;
    ListNode* _next;
    ListNode(T val) : _val(val), _prev(nullptr), _next(nullptr) {}
};

template<class T>
class ListIterator {
    typedef ListNode<T> Node;

public:
    ListIterator(Node* node = nullptr) : _node(node) {}

    // 解引用操作，返回节点的值
    T& operator*() { return _node->_val; }

    // 前向移动
    ListIterator& operator++() {
        _node = _node->_next;
        return *this;
    }

    // 后向移动
    ListIterator& operator--() {
        _node = _node->_prev;
        return *this;
    }

private:
    Node* _node;
};

int main() {
    // 创建三个节点，分别存储值 1、2、3
    ListNode<int> node1(1), node2(2), node3(3);

    // 链接节点形成链表
    node1._next = &node2;
    node2._prev = &node1;
    node2._next = &node3;
    node3._prev = &node2;

    // 尝试创建一个 const 迭代器
    const ListIterator<int> constIt(&node1);

    // 错误1：前向移动时，编译器报错，因为 ++ 操作符不能对 const 迭代器操作
    ++constIt;  // 编译错误

    // 错误2：解引用操作也无法进行修改
    *constIt = 5;  // 编译错误
}

错误分析：

  1. 无法执行前向移动 (++constIt)：由于 const 修饰符限制了修改成员变量 _node，因此 ++ 操作无法执行，因为该操作会修改迭代器的内部指针。

  2. 无法修改节点的值 (*constIt = 5)：由于迭代器是 const 的，解引用操作也不能用于修改节点的值，因此编译器会报错。

2.6 使用模板参数实现const与non-const

为了处理上述问题，我们可以使用模板参数来区分 const 和 non-const 的情况。通过模板参数 Ref 和 Ptr，我们可以控制迭代器的行为，使得它在常量链表和非常量链表中都能正常工作。

使用模板参数的好处：

  • 灵活性 ：可以根据需要处理 const 和 non-const 的迭代器场景。
  • 安全性：对于常量链表，保证不能修改节点的值；对于非常量链表，允许修改。
  • 代码复用 ：通过模板参数，既可以编写一套代码，处理 const 和 non-const 两种情况。

代码示例如下：

namespace W {
    template<class T, class Ref, class Ptr>
    class ListIterator {
        typedef ListNode<T> Node;  // 使用 Node 表示链表节点类型

    public:
        ListIterator(Node* node = nullptr) : _node(node) {}

        // 解引用操作，返回节点的值
        Ref operator*() const { return _node->_val; }

        // 指针操作，返回节点的值的指针
        Ptr operator->() const { return &_node->_val; }

        // 前向移动
        ListIterator& operator++() {
            _node = _node->_next;
            return *this;
        }

        // 后向移动
        ListIterator& operator--() {
            _node = _node->_prev;
            return *this;
        }

        // 比较操作，判断两个迭代器是否相等
        bool operator!=(const ListIterator& other) const { return _node != other._node; }

    private:
        Node* _node;
    };
}

注意：此处Ref代表T&，Ptr代表T*。

下面我们将对上述代码进行测试，以检验在常量链表和非常量链表下是否能正常应用。

代码示例如下：

#include <iostream>

struct CustomType {
    int x;
};

int main() {
    // 创建三个 int 类型的节点，分别存储值 1、2、3
    W::ListNode<int> node1(1);      
    W::ListNode<int> node2(2);      
    W::ListNode<int> node3(3);      

    // 链接节点形成链表
    node1._next = &node2;
    node2._prev = &node1;
    node2._next = &node3;
    node3._prev = &node2;

    // 创建一个非常量迭代器
    W::ListIterator<int, int&, int*> it(&node1);
    std::cout << *it << std::endl;  // 输出 1

    ++it;  // 前向移动
    std::cout << *it << std::endl;  // 输出 2

    // 修改节点的值
    *it = 20;
    std::cout << *it << std::endl;  // 输出 20

    // 创建一个常量链表节点
    const W::ListNode<int> constNode1(1);
    const W::ListNode<int> constNode2(2);
    constNode1._next = &constNode2;

    // 创建一个常量迭代器
    W::ListIterator<int, const int&, const int*> constIt(&constNode1);
    std::cout << *constIt << std::endl;  // 输出 1

    // 常量迭代器不允许修改值
    // *constIt = 10;  // 错误：无法修改常量链表节点的值

    return 0;
}

输出：

1

2

20

1

分析：

  1. 非常量链表 ：
    • 使用 it 迭代器遍历链表，前向移动并修改节点的值。*it = 20 修改了第二个节点的值。
  2. 常量链表 ：
    • 使用 constIt 迭代器只能读取节点的值，无法修改。如果尝试 *constIt = 10，编译器会报错，禁止修改。

三. list的相关操作

3.1 list的构造函数

我们将实现多种构造函数，允许用户创建空链表、指定大小的链表，以及从迭代器区间构造链表。

namespace W {
    template<class T>
    class list {
        typedef ListNode<T> Node;
        
    public:
        typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;

        // 默认构造函数
        list() { CreateHead(); }

        // 指定大小的构造函数
        list(size_t n, const T& val = T()) {
            CreateHead();
            for (size_t i = 0; i < n; ++i)
                push_back(val);
        }

        // 迭代器区间构造函数
        template<class Iterator>
        list(Iterator first, Iterator last) {
            CreateHead();
            while (first != last) {
                push_back(*first);
                ++first;
            }
        }

        // 析构函数
        ~list() {
            clear();
            delete _head;
        }

        // 头节点初始化
        void CreateHead() {
            _head = new Node();
            _head->_next = _head;
            _head->_prev = _head;
        }

        // 清空链表
        void clear() {
            Node* cur = _head->_next;
            while (cur != _head) {
                Node* next = cur->_next;
                delete cur;
                cur = next;
            }
            _head->_next = _head;
            _head->_prev = _head;
        }

    private:
        Node* _head;  // 指向头节点的指针
    };
}
构造函数分析：
  1. 默认构造函数：创建一个空链表，并初始化头节点。
  2. 指定大小构造函数 ：使用 push_back 向链表中插入 n 个值为 val 的节点。
  3. 迭代器区间构造函数 ：通过一对迭代器 [first, last) 形成的区间构造链表。

3.2 插入与删除

list 容器的优势在于高效的插入与删除操作。我们将在指定位置插入节点，或删除指定节点，插入和删除的时间复杂度均为 O(1)。

插入操作

namespace W {
    template<class T>
    class list {
        typedef ListNode<T> Node;
        typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;

    public:
        // 在指定位置前插入新节点
        iterator insert(iterator pos, const T& val) {
            Node* newNode = new Node(val);
            Node* cur = pos._node;

            newNode->_next = cur;
            newNode->_prev = cur->_prev;
            cur->_prev->_next = newNode;
            cur->_prev = newNode;

            return iterator(newNode);//将Node*强制转换为iterator
        }

        // 在链表末尾插入新节点
        void push_back(const T& val) { insert(end(), val); }

        // 在链表头部插入新节点
        void push_front(const T& val) { insert(begin(), val); }
    };
}

注意：在返回值处如果已经完成了iterator用Node*类型数据的构造函数，则会进行隐式类型转换，无需强制转换。

  • 插入效率：由于链表的结构，插入操作只需调整节点的指针，不涉及大规模的内存移动，时间复杂度为 O(1)。
  • 头尾插入 ：通过 push_back 和 push_front 可以方便地在链表的头部和尾部插入新节点。

删除操作

代码示例如下：

namespace W {
    template<class T>
    class list {
        typedef ListNode<T> Node;
        typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;

    public:
        // 删除指定位置的节点
        iterator erase(iterator pos) {
            Node* cur = pos._node;
            Node* nextNode = cur->_next;

            cur->_prev->_next = cur->_next;
            cur->_next->_prev = cur->_prev;

            delete cur;
            return iterator(nextNode);
        }

        // 删除链表头部节点
        void pop_front() { erase(begin()); }

        // 删除链表尾部节点
        void pop_back() { erase(--end()); }
    };
}

注意：在返回值处如果已经完成了iterator用Node*类型数据的构造函数，则会进行隐式类型转换，无需强制转换。

  • 删除效率：删除节点同样是通过调整指针实现，时间复杂度为 O(1)。
  • 头尾删除 ：通过 pop_front 和 pop_back 实现头部和尾部节点的删除。

四. 反向迭代器的设计

在双向链表中，反向迭代器可以通过包装普通迭代器实现。反向迭代器的 ++ 对应正向迭代器的 --，反之亦然。

代码示例如下：

namespace W {
    template<class Iterator>
    class ReverseListIterator {
        Iterator _it;

    public:
        ReverseListIterator(Iterator it) : _it(it) {}

        auto operator*() { Iterator temp = _it; --temp; return *temp; }
        auto operator->() { return &(operator*()); }

        ReverseListIterator& operator++() { --_it; return *this; }
        ReverseListIterator operator++(int) { ReverseListIterator temp = *this; --_it; return temp; }
        ReverseListIterator& operator--() { ++_it; return *this; }
        ReverseListIterator operator--(int) { ReverseListIterator temp = *this; ++_it; return temp; }

        bool operator==(const ReverseListIterator& other) const { return _it == other._it; }
        bool operator!=(const ReverseListIterator& other) const { return !(*this == other); }
    };
}
  • 解引用和指针操作 ：反向迭代器的 operator* 和 operator-> 实际上是操作前一个节点。
  • 前向和后向移动 ：反向迭代器的 ++ 操作是通过调用普通迭代器的 -- 来实现的。

五. 迭代器的失效问题

在操作 list 容器时，特别是在删除节点的过程中，可能会出现迭代器失效问题。迭代器失效是指当某个节点被删除后，指向该节点的迭代器变得无效，继续使用这个迭代器将导致未定义行为。因此，在删除节点后，必须使用返回的迭代器进行下一步操作，以避免迭代器失
假设我们使用 erase 函数删除链表中的节点。如果我们继续使用之前的迭代器而不更新它，程序将会崩溃，因为该迭代器指向的内存已经被释放。

注意：erase返回的是删除元素的下一个！！！

常见错误示例如下：

void WrongIteratorUsage() {
    W::list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
    auto it = lst.begin();
    
    while (it != lst.end()) {
        lst.erase(it);  // 错误：删除后 it 失效
        ++it;  // 未更新的迭代器继续操作，导致崩溃
    }
}

改正代码示例如下：

void TestIteratorInvalidation() {
    W::list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};
    auto it = lst.begin();
    
    while (it != lst.end()) {
        it = lst.erase(it);  // 正确：使用 erase 返回的新迭代器
    }
}

小结：

本篇模拟实现了list的底层结构，迭代器，一系列构造函数，运算符重载和相关接口，希望能对大家的学习产生帮助，欢迎各位佬前来支持斧正！！！

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