C++从入门到实战（二十一）List迭代器实现

珹洺2025-09-04 11:33

C++从入门到实战（二十一）List迭代器实现

  • 前言
  • 一、为什么需要自定义list迭代器？
  • 二、list迭代器的核心：运算符重载
    • [2.1 基础准备：节点结构回顾](#2.1 基础准备：节点结构回顾)
    • [2.2 迭代器类的初步实现（普通迭代器）](#2.2 迭代器类的初步实现（普通迭代器）)
    • [2.3 关键运算符详解：operator* 与 operator->](#2.3 关键运算符详解：operator* 与 operator->)
      • [2.3.1 案例：遍历存储自定义类型的list](#2.3.1 案例：遍历存储自定义类型的list)
      • [2.3.2 用operator*访问成员](#2.3.2 用operator*访问成员)
      • [2.3.3 用operator->访问成员（编译器优化）](#2.3.3 用operator->访问成员（编译器优化）)
      • [2.3.4 常见错误：直接用节点指针访问](#2.3.4 常见错误：直接用节点指针访问)
    • [2.4 补充：后置++与后置--的重载](#2.4 补充：后置++与后置--的重载)
  • 三、const迭代器的实现：模板复用解决冗余
    • [3.1 痛点：直接复制代码的冗余](#3.1 痛点：直接复制代码的冗余)
    • [3.2 解决方案：增加模板参数，复用迭代器类](#3.2 解决方案：增加模板参数，复用迭代器类)
      • [3.2.1 模板化迭代器类实现](#3.2.1 模板化迭代器类实现)
      • [3.2.2 在list类中定义两种迭代器](#3.2.2 在list类中定义两种迭代器)
      • [3.2.3 const迭代器的使用示例](#3.2.3 const迭代器的使用示例)
  • 四、迭代器的封装与STL设计理念
  • 五、list迭代器与vector迭代器的对比
  • 六、完整模拟实现：迭代器+list集成

前言

  • 上一篇博客中，我们在模拟实现list时提到：list的迭代器并非原生指针 。由于list底层是双向循环链表（离散节点），原生指针无法直接模拟"双向遍历""节点访问"等行为------这就需要我们自定义迭代器类，通过运算符重载封装节点指针，让迭代器像原生指针一样易用。
  • 本篇将聚焦list迭代器的核心实现：从"为什么需要自定义迭代器"出发，深入讲解operator*、operator->等关键运算符的重载逻辑，解决"const迭代器"的实现痛点，并通过模板复用减少代码冗余，最终理解STL迭代器"封装底层、统一接口"的设计思想。

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C++官方list迭代器文档
https://cplusplus.com/reference/list/list/iterator/

一、为什么需要自定义list迭代器？

vector的迭代器可以直接用原生指针（如int*），因为其底层是连续内存------原生指针的++、*、[]等操作天然匹配vector的访问需求。但list完全不同：

  1. 底层结构不兼容 ：list是离散节点，每个节点包含_prev、_next指针，原生指针无法通过++直接跳转到下一个节点（需访问_next成员）。
  2. 隐藏底层细节 ：用户无需知道list的节点结构（如ListNode的_prev/_next），只需通过迭代器的统一接口（++、*）操作元素。
  3. 支持const语义 ：需要区分"可修改元素的迭代器"（iterator）和"只读元素的迭代器"（const_iterator），原生指针无法直接满足。

简言之，list迭代器的核心目标是：封装节点指针，通过运算符重载模拟原生指针行为，同时统一容器访问接口。

二、list迭代器的核心：运算符重载

自定义迭代器的本质是"重载一系列运算符"，让迭代器支持以下操作（与原生指针一致）：

  • 移动：++it（向后）、--it（向前）
  • 解引用：*it（获取元素引用）、it->（获取元素指针，访问自定义类型成员）
  • 比较：it1 == it2（是否指向同一节点）、it1 != it2（是否指向不同节点）

2.1 基础准备：节点结构回顾

首先回顾list的节点结构，迭代器将围绕节点指针展开：

cpp 复制代码 
template <class T>
struct ListNode {
    ListNode<T>* _prev;  // 前驱指针
    ListNode<T>* _next;  // 后继指针
    T _data;             // 存储的数据

    // 节点构造函数
    ListNode(const T& data = T())
        : _prev(nullptr)
        , _next(nullptr)
        , _data(data)
    {}
};

2.2 迭代器类的初步实现（普通迭代器）

先实现支持"修改元素"的普通迭代器，核心是封装ListNode<T>*并重载关键运算符：

cpp 复制代码 
template <class T>
struct ListIterator {
    typedef ListNode<T> Node;  // 简化节点类型名
    typedef ListIterator<T> Self;  // 简化迭代器类型名

    Node* _node;  // 核心：封装节点指针

    // 1. 迭代器构造函数（接收节点指针）
    ListIterator(Node* node)
        : _node(node)
    {}

    // 2. 重载operator*：解引用，返回元素引用（支持修改）
    T& operator*() {
        return _node->_data;  // 直接返回节点中的数据引用
    }

    // 3. 重载operator->：返回元素指针（访问自定义类型成员）
    T* operator->() {
        return &(_node->_data);  // 返回数据的地址
    }

    // 4. 重载operator++：前置++，向后移动到下一个节点
    Self& operator++() {
        _node = _node->_next;  // 借助节点的_next指针移动
        return *this;  // 返回自身（支持链式操作，如++(++it)）
    }

    // 5. 重载operator--：前置--，向前移动到前一个节点
    Self& operator--() {
        _node = _node->_prev;  // 借助节点的_prev指针移动
        return *this;
    }

    // 6. 重载operator==：判断是否指向同一节点
    bool operator==(const Self& other) const {
        return _node == other._node;
    }

    // 7. 重载operator!=：判断是否指向不同节点
    bool operator!=(const Self& other) const {
        return _node != other._node;
    }
};

2.3 关键运算符详解：operator* 与 operator->

operator*和operator->是迭代器访问元素的核心，尤其是operator->在访问自定义类型时容易产生疑惑，我们通过案例拆解：

2.3.1 案例：遍历存储自定义类型的list

假设我们有一个自定义类A，包含两个成员_a1和_a2，用list存储A的对象：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

// 自定义类A
struct A {
    int _a1;
    int _a2;

    A(int a1 = 0, int a2 = 0)
        : _a1(a1)
        , _a2(a2)
    {}
};

// 初始化list<A>
list<A> lt2;
lt2.push_back(A(1, 2));
lt2.push_back(A(3, 4));

2.3.2 用operator*访问成员

通过*it获取A对象的引用，再用.访问成员：

cpp 复制代码 
// 普通迭代器遍历
list<A>::iterator it = lt2.begin();
while (it != lt2.end()) {
    // *it 返回A&，通过.访问成员
    cout << (*it)._a1 << ":" << (*it)._a2 << endl;
    ++it;
}
// 输出：
// 1:2
// 3:4

注意 ：(*it)必须加括号，因为.的优先级高于*，不加括号会被解析为*(it._a1)（错误）。

2.3.3 用operator->访问成员（编译器优化）

如果用it->访问成员，代码会更简洁，但背后有编译器的特殊优化：

cpp 复制代码 
while (it != lt2.end()) {
    // it-> 返回A*，理论上需写 it->->_a1，但编译器自动省略一个->
    cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl;
    ++it;
}
原理拆解：
  1. it->调用operator->()，返回&(_node->_data)（即A*类型）。
  2. 理论上，访问成员需要(it.operator->())->_a1（两次->：一次调用迭代器的operator->，一次原生指针的->）。
  3. C++编译器为了简化代码，自动省略中间的一个-> ，允许直接写it->_a1。

这就是operator->重载的"特殊之处"------看似只写了一个->，实则隐含了两次指针访问。

2.3.4 常见错误：直接用节点指针访问

如果不封装迭代器，直接用Node*遍历，代码会暴露底层结构，且可读性差：

cpp 复制代码 
// 不推荐：直接操作节点指针，暴露底层实现
ListNode<A>* node = lt2._head->_next;  // 假设_head是public（实际应私有）
while (node != lt2._head) {
    cout << node->_data._a1 << ":" << node->_data._a2 << endl;
    node = node->_next;
}

显然，迭代器的封装让代码更简洁、更安全（无需访问list的私有成员_head）。

2.4 补充：后置++与后置--的重载

前面实现了前置++/-- （如++it），实际开发中还会用到后置++/-- （如it++）。两者的核心区别是：

  • 前置：先移动，再返回自身（返回引用）。
  • 后置：先返回当前状态，再移动（返回值，不能是引用）。

实现后置++/--时，需用int作为参数（无实际意义，仅用于区分前置和后置）：

cpp 复制代码 
template <class T>
struct ListIterator {
    // ... 其他成员 ...

    // 后置++：参数int用于区分，返回移动前的迭代器（值返回）
    Self operator++(int) {
        Self temp(*this);  // 保存当前迭代器状态
        _node = _node->_next;  // 移动到下一个节点
        return temp;  // 返回移动前的状态
    }

    // 后置--：同理
    Self operator--(int) {
        Self temp(*this);  // 保存当前状态
        _node = _node->_prev;  // 移动到前一个节点
        return temp;  // 返回移动前的状态
    }
};

使用示例：

cpp 复制代码 
list<int> l = {1,2,3};
auto it = l.begin();
auto it2 = it++;  // it2指向1（移动前），it指向2（移动后）
cout << *it2 << " " << *it << endl;  // 输出：1 2

三、const迭代器的实现：模板复用解决冗余

普通迭代器（iterator）支持修改元素，但当list是const类型时（如const list<int>），需要只读迭代器（const_iterator）------即迭代器本身可移动，但指向的元素不能修改。

3.1 痛点：直接复制代码的冗余

如果直接复制ListIterator改名为ConstListIterator，并将operator*和operator->的返回值改为const，会导致大量重复代码（如++、--、==等逻辑完全相同）：

cpp 复制代码 
// 不推荐：重复代码多，维护成本高
template <class T>
struct ConstListIterator {
    typedef ListNode<T> Node;
    typedef ConstListIterator<T> Self;
    Node* _node;

    ConstListIterator(Node* node) : _node(node) {}

    // 仅修改返回值为const T&
    const T& operator*() { return _node->_data; }
    // 仅修改返回值为const T*
    const T* operator->() { return &(_node->_data); }

    // 以下代码与ListIterator完全重复
    Self& operator++() { _node = _node->_next; return *this; }
    Self& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; }
    bool operator==(const Self& other) const { return _node == other._node; }
    // ...
};

3.2 解决方案：增加模板参数，复用迭代器类

核心思路：在迭代器类中增加两个模板参数Ref（元素引用类型）和Ptr（元素指针类型），通过传入不同的Ref和Ptr，同时生成普通迭代器和const迭代器。

3.2.1 模板化迭代器类实现

cpp 复制代码 
// 模板参数：T（元素类型）、Ref（引用类型）、Ptr（指针类型）
template <class T, class Ref, class Ptr>
struct ListIterator {
    typedef ListNode<T> Node;
    typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;  // 迭代器类型自引用

    Node* _node;

    // 构造函数
    ListIterator(Node* node) : _node(node) {}

    // 1. operator*：返回Ref类型（普通迭代器是T&，const迭代器是const T&）
    Ref operator*() {
        return _node->_data;
    }

    // 2. operator->：返回Ptr类型（普通迭代器是T*，const迭代器是const T*）
    Ptr operator->() {
        return &(_node->_data);
    }

    // 3. 移动与比较：逻辑完全复用，无需修改
    Self& operator++() {
        _node = _node->_next;
        return *this;
    }

    Self& operator--() {
        _node = _node->_prev;
        return *this;
    }

    bool operator==(const Self& other) const {
        return _node == other._node;
    }

    bool operator!=(const Self& other) const {
        return _node != other._node;
    }

    // 后置++/--同样复用
    Self operator++(int) {
        Self temp(*this);
        _node = _node->_next;
        return temp;
    }

    Self operator--(int) {
        Self temp(*this);
        _node = _node->_prev;
        return temp;
    }
};

3.2.2 在list类中定义两种迭代器

在list类中，通过指定Ref和Ptr的类型，分别定义iterator和const_iterator：

cpp 复制代码 
template <class T>
class List {
    typedef ListNode<T> Node;
public:
    // 1. 普通迭代器：Ref=T&，Ptr=T*（支持修改元素）
    typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
    // 2. const迭代器：Ref=const T&，Ptr=const T*（只读元素）
    typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

    // 3. 获取普通迭代器
    iterator begin() {
        return iterator(_head->_next);  // 指向第一个数据节点
    }

    iterator end() {
        return iterator(_head);  // 指向哨兵位（结束标志）
    }

    // 4. 获取const迭代器
    const_iterator cbegin() const {
        return const_iterator(_head->_next);
    }

    const_iterator cend() const {
        return const_iterator(_head);
    }

    // ... 其他list接口（push_back、insert等，与上一篇一致） ...

private:
    Node* _head;  // 哨兵位头节点（私有，隐藏底层）
};

3.2.3 const迭代器的使用示例

当list为const类型时，只能使用cbegin()/cend()获取const_iterator，且无法修改元素：

cpp 复制代码 
void PrintConstList(const list<int>& l) {
    // 必须用const_iterator，因为l是const
    list<int>::const_iterator it = l.cbegin();
    while (it != l.cend()) {
        // *it = 10;  // 错误！const迭代器指向的元素不可修改
        cout << *it << " ";
        ++it;  // 迭代器本身可移动（允许++）
    }
}

int main() {
    list<int> l = {1,2,3};
    PrintConstList(l);  // 输出：1 2 3
    return 0;
}

核心区别总结：

迭代器类型 Ref类型 Ptr类型 元素是否可修改 迭代器是否可移动
iterator T& T* 是 是
const_iterator const T& const T* 否 是

四、迭代器的封装与STL设计理念

list迭代器的实现，完美体现了STL的两大核心设计理念：

  1. 封装底层，解耦接口：

    • 用户无需关心list的节点结构（_prev/_next），只需通过begin()/end()获取迭代器，用++/*操作元素。
    • 即使未来修改list的底层实现（如改用双向循环链表的其他结构），只要迭代器的接口不变，用户代码无需修改。

  2. 统一容器访问方式：

    • 无论是vector（连续内存）、list（离散节点）还是deque（双端队列），迭代器的使用方式完全一致：

      cpp 复制代码 
      // list遍历
list<int> l = {1,2,3};
for (auto it = l.begin(); it != l.end(); ++it) { ... }

// vector遍历（接口完全相同）
vector<int> v = {1,2,3};
for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) { ... }

    • 这种统一性让算法（如sort、find）可以跨容器复用（前提是迭代器类型匹配）。

五、list迭代器与vector迭代器的对比

虽然两者接口一致，但底层实现和能力差异显著，呼应上一篇的"迭代器分类"：

对比维度 list迭代器（双向迭代器） vector迭代器（随机访问迭代器）
底层实现 封装ListNode*，重载运算符 原生指针（如int*）或轻量封装
支持的移动操作 仅支持++it、--it（双向移动） 支持++it、--it、it+n、it-n等
解引用效率 需访问节点_data（间接访问） 直接访问内存（效率更高）
迭代器失效场景 仅删除当前节点时失效，其他节点迭代器安全 扩容、插入/删除中间元素时，后续迭代器失效
适用算法 仅支持双向遍历算法（如reverse） 支持随机访问算法（如sort、binary_search）

六、完整模拟实现：迭代器+list集成

将上述内容整合，给出list迭代器与list类的完整模拟实现

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <assert.h>
using namespace std;

// 1. 节点结构
template <class T>
struct ListNode {
    ListNode<T>* _prev;
    ListNode<T>* _next;
    T _data;

    ListNode(const T& data = T())
        : _prev(nullptr)
        , _next(nullptr)
        , _data(data)
    {}
};

// 2. 模板化迭代器类
template <class T, class Ref, class Ptr>
struct ListIterator {
    typedef ListNode<T> Node;
    typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;

    Node* _node;

    ListIterator(Node* node) : _node(node) {}

    // 解引用
    Ref operator*() { return _node->_data; }
    Ptr operator->() { return &(_node->_data); }

    // 移动
    Self& operator++() { _node = _node->_next; return *this; }
    Self& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; }
    Self operator++(int) { Self temp(*this); _node = _node->_next; return temp; }
    Self operator--(int) { Self temp(*this); _node = _node->_prev; return temp; }

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

// 3. list类
template <class T>
class List {
    typedef ListNode<T> Node;
public:
    // 定义两种迭代器
    typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
    typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

    // 构造函数：初始化哨兵位
    List() {
        _head = new Node();
        _head->_prev = _head;
        _head->_next = _head;
    }

    // 尾插（用于测试）
    void push_back(const T& data) {
        Node* newNode = new Node(data);
        Node* tail = _head->_prev;

        tail->_next = newNode;
        newNode->_prev = tail;
        newNode->_next = _head;
        _head->_prev = newNode;
    }

    // 获取迭代器
    iterator begin() { return iterator(_head->_next); }
    iterator end() { return iterator(_head); }
    const_iterator cbegin() const { return const_iterator(_head->_next); }
    const_iterator cend() const { return const_iterator(_head); }

    // 析构函数（避免内存泄漏）
    ~List() {
        clear();
        delete _head;
        _head = nullptr;
    }

    // 清空数据节点（保留哨兵位）
    void clear() {
        iterator it = begin();
        while (it != end()) {
            it = erase(it);
        }
    }

    // 删除节点（用于测试）
    iterator erase(iterator pos) {
        assert(pos != end());  // 不能删除哨兵位
        Node* cur = pos._node;
        Node* prev = cur->_prev;
        Node* next = cur->_next;

        prev->_next = next;
        next->_prev = prev;
        delete cur;

        return iterator(next);
    }

private:
    Node* _head;
};

// 测试代码
int main() {
    // 1. 测试普通迭代器（修改元素）
    List<int> l;
    l.push_back(1);
    l.push_back(2);
    l.push_back(3);

    List<int>::iterator it = l.begin();
    while (it != l.end()) {
        *it *= 2;  // 修改元素（1→2，2→4，3→6）
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;  // 输出：2 4 6

    // 2. 测试const迭代器（只读）
    const List<int> cl = l;
    List<int>::const_iterator cit = cl.cbegin();
    while (cit != cl.cend()) {
        cout << *cit << " ";
        ++cit;
    }
    cout << endl;  // 输出：2 4 6

    return 0;
}

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