C++之list类的代码及其逻辑详解 (中)

接下来我会依照前面所说的一些接口以及list的结构来进行讲解。

1. list_node的结构

1.1 list_node结构体

list由于其结构为双向循环链表,所以我们在这里要这么初始化

  • _next:指向链表中下一个节点的指针
  • _prev:指向链表中上一个节点的指针
  • _val:存储节点的值

list_node(const T& val = T()) 用于初始化节点,将 _next_prev 指针默认设置为 nullptr,并将 _val 初始化为传入的值

cpp 复制代码
struct list_node
{
	list_node<T>* _next;
	list_node<T>* _prev;
	T _val;

    list_node(const T& val = T())
	:_next(nullptr)
	, _prev(nullptr)
	, _val(val)
    {}
};
  1. typedef list_node<T> Node;

    • list_node<T>(链表节点类型)简化定义为Node
    • 在类内部可以直接使用Node来表示链表节点类型,无需重复写list_node<T>
  2. typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;

    • 定义了普通迭代器类型iterator
    • 这里的_list_iterator应该是一个迭代器模板类,三个模板参数分别表示:
      • 存储的数据类型T
      • 迭代器解引用后返回的引用类型T&
      • 迭代器解引用后返回的指针类型T*
  3. typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

    • 定义了常量迭代器类型const_iterator
    • 与普通迭代器的区别是,解引用后返回的是const类型的引用和指针
    • 用于对const list对象进行遍历,保证不能通过迭代器修改元素值
cpp 复制代码
class list
{
    public:
	typedef list_node<T> Node;
	typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;
	typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
};

1.2 list和list_node分离设计原因

list_node结构体和list类分离设计,是一种典型的 "数据存储" 与 "逻辑管理" 分离的思想。

1. 职责分离,符合单一职责原则
  • list_node结构体 :仅负责存储单个节点的数据连接关系 (前驱_prev、后继_next指针),它的职责非常单一 ------ 就是作为链表的 "最小数据单元"。
  • list :负责管理整个链表的逻辑 ,包括节点的创建 / 销毁、插入 / 删除、遍历、容量管理等操作。它不直接存储数据,而是通过操作list_node对象来实现链表的整体功能。

这种分离让代码更清晰:节点只关心自身数据和连接,链表类只关心整体逻辑,便于维护和扩展。

2. 封装性更好,隐藏实现细节
  • list_node通常是list类的内部私有类型 (或通过typedef限定在类内部使用),外部用户不需要知道节点的具体结构(比如_prev_next指针的存在)。
  • 用户只需通过list类提供的接口(如push_backerase、迭代器等)操作链表,无需直接接触节点,避免了误操作节点指针导致的内存问题(如野指针、内存泄漏)。
3. 便于迭代器设计和容器适配
  • 链表的迭代器需要通过节点的_next/_prev指针实现遍历,将节点封装为list_node后,迭代器可以统一通过节点指针操作,无需关心具体数据类型。
  • 符合 STL 容器的设计规范:STL 中所有容器都需要将 "元素存储" 和 "容器管理" 分离,这样才能统一迭代器接口。
  • list_node可以被视为一个通用的 "双向节点模板",如果未来需要实现其他基于双向节点的结构(如循环链表、队列等),可以复用list_node的设计。
  • 当需要扩展链表功能时,只需修改list类的管理逻辑,无需改动list_node的结构。

2. list迭代器

2.1 三个可变参数的原因

我们在这里之所以要设置三个,是因为在list的迭代器里面需要不同的类型。同时一个可变参数在一个类里面只会推导一次,所以我们在这里是需要是三个。

  • T:链表中存储的元素类型(如 intstring 等)。
  • Ref:迭代器解引用后返回的引用类型 (普通迭代器用 T&,常量迭代器用 const T&)。
  • Ptr:迭代器通过 -> 运算符返回的指针类型 (普通迭代器用 T*,常量迭代器用 const T*)。
cpp 复制代码
template<class T,class Ref,class Ptr>
struct _list_iterator
	{
		typedef list_node<T> Node;
		typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
		Node* _node;
	};

2.2 构造函数

我们在这里又会有构造函数,是因为我们在list中实际上写了三个类,一个list_iterator,一个list_node和一个list,这三者构成了完整的list。

这个就是在给list的迭代器进行初始化。因为是通过节点去访问所以怎么写。

cpp 复制代码
_list_iterator(Node* node)
	:_node(node)
{}

2.3 operator*()

返回对元素的引用Ref),模拟指针的解引用操作(如 *p 获取指针指向的对象)。所以在这里要使用Ref。

cpp 复制代码
Ref operator*()
{
	return _node->_val;
}

2.4 operator->()

这边的Ptr更多是为了结构体这种设计的,简单来说这样设计就是为了先进入结构体然后再访问其内部成员。

那为什么要加&呢?这是因为operator要返回一个指针,然后我们通过这个指针来访问结构体的内部成员。

cpp 复制代码
Ptr operator->()
{
	return &_node->_val;
}

2.5 前置++

因为是前置的,所以是先++再return。

self 是迭代器类型本身(_list_iterator<T, Ref, Ptr>),它是一个 "指向元素的迭代器",负责管理节点指针、提供遍历能力。

cpp 复制代码
self& operator++()
{
	_node = _node->_next;
	return *this;
}

2.6 后置++

这边()里面的int是特殊处理,是为了和前置++构成函数重载。

又因为是后置++,所以我们让迭代器向后走并返回走之前的值。

cpp 复制代码
self operator++(int)
{
	self tmp(*this);
	_node = _node->next;
	return tmp;
}

2.7 前置--

因为是前置--,所以先返回上一个节点在return。

cpp 复制代码
self& operator--()
{
	_node = _node->_prev;
	return *this;
}

2.8 后置--

因为是后置--,所以先保存节点在--。

int是为了和前置--构成函数重载。

cpp 复制代码
self operator--(int)
{
	self tmp(*this);
	_node = _node->_prev;
	return tmp;
}

2.9 operator!=

这个加const是防止修改指向和被指向的内容。

因为是bool类型的,所以直接比较两个指针的地址值是否一样即可。

cpp 复制代码
bool operator!=(const self& it) const
{
	return _node != it._node;
}

2.10 operator==

这个加const是防止修改指向和被指向的内容。

因为是bool类型的,所以直接比较两个指针的地址值是否一样即可。

cpp 复制代码
bool operator==(const self& it) const
{
	return _node == it._node;
}
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