C++ 手写 List 容器实战：从双向链表原理到完整功能落地，附源码与测试验证

草莓熊Lotso2025-10-14 9:54


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文章目录

  • 前言：
  • [一. 底层原理：List 容器的 "骨架"------ 带头双向循环链表](#一. 底层原理：List 容器的 “骨架”—— 带头双向循环链表)
    • [1.1 结构组成与优势](#1.1 结构组成与优势)
    • [1.2 核心特性（对比 vector）](#1.2 核心特性（对比 vector）)
  • [二. 模块实现：Lotso 命名空间下的 List 核心代码](#二. 模块实现：Lotso 命名空间下的 List 核心代码)
    • [2.1 模块 1：链表节点（list_node）------ 容器的 "基本单元"](#2.1 模块 1：链表节点（list_node）—— 容器的 “基本单元”)
      • [2.1.1 代码实现（来自 list.h）](#2.1.1 代码实现（来自 list.h）)
      • [2.1.2 核心解析](#2.1.2 核心解析)
    • [2.2 模块 2：迭代器（list_iterator）------ 容器的 "导航工具"](#2.2 模块 2：迭代器（list_iterator）—— 容器的 “导航工具”)
      • [2.2.1 代码实现（来自 list.h）](#2.2.1 代码实现（来自 list.h）)
      • [2.2.2 核心解析](#2.2.2 核心解析)
    • [2.3 模块3：容器类（list）------List 功能的 "中枢"](#2.3 模块3：容器类（list）——List 功能的 “中枢”)
      • [2.3.1 代码实现（来自 list.h）](#2.3.1 代码实现（来自 list.h）)
      • [2.3.2 核心解析](#2.3.2 核心解析)
  • [三. 功能测试：用 test.cpp 验证 List 正确性](#三. 功能测试：用 test.cpp 验证 List 正确性)
    • [3.1 测试用例1：基础构造与遍历(push_back+迭代器/范围for)](#3.1 测试用例1：基础构造与遍历(push_back+迭代器/范围for))
      • [3.1.1 代码实现(来自 test.cpp)](#3.1.1 代码实现(来自 test.cpp))
      • [3.1.2 测试结构与分析](#3.1.2 测试结构与分析)
    • [3.2 测试用例 2：头插、头删、尾删](#3.2 测试用例 2：头插、头删、尾删)
      • [3.2.1 代码实现（来自 test.cpp）](#3.2.1 代码实现（来自 test.cpp）)
      • [3.2.2 测试结果与分析](#3.2.2 测试结果与分析)
    • [3.3 测试用例 3：const 迭代器与拷贝构造](#3.3 测试用例 3：const 迭代器与拷贝构造)
      • [3.3.1 代码实现（来自 test.cpp）](#3.3.1 代码实现（来自 test.cpp）)
      • [3.3.2 测试结果与分析](#3.3.2 测试结果与分析)
    • [3.4 测试用例 4：insert、erase 与 clear](#3.4 测试用例 4：insert、erase 与 clear)
      • [3.4.1 代码实现（来自 test.cpp）](#3.4.1 代码实现（来自 test.cpp）)
      • [3.4.2 测试结果与分析](#3.4.2 测试结果与分析)
  • 结尾：

前言：

日常开发中，我们频繁调用std::list的push_back、erase等接口，却常忽略其 "为何插入删除高效""迭代器为何只在删除时失效" 等核心问题。面试被要求手写 List 时卡壳、开发中因迭代器失效导致程序崩溃，根源都在对底层逻辑的不理解。

一. 底层原理：List 容器的 "骨架"------ 带头双向循环链表

要手写 List，先明确其底层结构 ------带头双向循环链表，这是所有接口高效实现的基础。

1.1 结构组成与优势

结构部分 功能说明
哨兵头节点 不存储有效数据，仅作为操作锚点，统一空/非空链表的插入、删除逻辑，无需额外判断边界。例如：尾插时无需检查"是否为第一个节点"，直接通过头节点的前驱指针定位尾节点，简化代码逻辑。
数据节点 每个节点含_prev（前驱指针）、_next（后继指针）、_data（数据域），支持双向遍历。既可以从当前节点向前追溯前驱节点，也能向后访问后继节点，为迭代器的++/--操作提供底层支持。
循环特性 尾节点_next指向头节点，头节点_prev指向尾节点，形成闭环。例如：遍历到尾节点后，通过_next可直接回到头节点；获取尾节点无需遍历整个链表，只需访问_head->_prev，提升尾操作效率。

通过这种结构设计，List容器实现了任意位置插入/删除O(1)效率 、遍历逻辑统一 、边界处理简化三大核心优势，是区别于vector动态数组的关键设计。

1.2 核心特性（对比 vector）

特性 List（双向链表） vector（动态数组）
插入删除效率 任意位置 O(1) （仅需调整节点前驱/后继指针，无需移动其他元素）。例如：在链表中间插入新节点时，只需修改目标位置前后节点的_prev和_next指针，操作耗时与链表长度无关。 中间位置 O(N)（插入/删除后需搬移后续所有元素）；尾端操作（无扩容时）接近 O(1)。例如：在数组第 5 位插入元素，需将第 5 位及之后的所有元素向后移动 1 位，元素越多耗时越长。
随机访问 不支持（需从表头/表尾遍历，时间复杂度 O(N)）。无法通过"容器名[下标]"直接访问元素，必须通过迭代器逐步移动（++/--）才能定位目标位置。 支持（基于原生指针偏移，时间复杂度 O(1)）。可通过"容器名[下标]"或at(下标)直接访问元素，例如vec[3]能瞬间定位到第 4 个元素，无需遍历。
迭代器失效 仅被删除节点的迭代器失效，其他迭代器（指向未删除节点的）仍有效。例如：删除链表中第 3 个节点后，指向第 2、4 个节点的迭代器可正常使用。 插入元素时：若触发扩容（原有内存空间不足），所有迭代器、指针、引用均失效 ；若未触发扩容，仅插入位置之后的迭代器失效。删除元素时，删除位置之后的迭代器均失效。
内存利用率 按需分配节点（每个节点存储数据+2个指针），无冗余空间，但存在"指针开销"（每个节点额外占用 2 个指针的内存）。内存分配分散，可能存在内存碎片。 扩容时会预分配额外内存（通常为当前容量的 1.5 倍或 2 倍），可能产生冗余空间（例如容量为 10 但仅存储 5 个元素，剩余 5 个空间闲置）。内存分配连续，缓存命中率更高。

通过对比可见：

  • 若场景以 频繁插入/删除（尤其是中间位置） 为主，优先选择 List；
  • 若场景以 频繁随机访问、尾端插入 为主，优先选择 vector。
  • 补充： List虽然封装了成员sort（底层类似归并排序），但是效率是不如算法库里的，所以如果需要排序还是vector比较好

二. 模块实现：Lotso 命名空间下的 List 核心代码

还是和之前 string 实现博客的 "分模块 + 代码 + 解析" 风格一样，我们这里按 "节点→迭代器→容器类" 的依赖顺序来逐步实现 List。

2.1 模块 1：链表节点（list_node）------ 容器的 "基本单元"

节点是存储数据的载体，用模板类实现泛型支持，适配任意数据类型（如int、string）。

2.1.1 代码实现（来自 list.h）

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

namespace Lotso
{
    // 链表节点结构：存储数据与双向指针
    template<class T>
    struct list_node
    {
        list_node<T>* _prev;  // 前驱节点指针
        list_node<T>* _next;  // 后继节点指针
        T _data;              // 节点数据

        // 构造函数：默认值初始化，指针置空
        list_node(const T& x = T())
            : _prev(nullptr)
            , _next(nullptr)
            , _data(x)
        {}
    };
}

2.1.2 核心解析

  • 模板参数T ：支持任意数据类型，例如Lotso::list<int>存储整数，Lotso::list<string.>存储字符串，与 string 的泛型设计一致。
  • 默认构造参数 ：T()确保内置类型（如int）默认初始化为 0，自定义类型自动调用其默认构造函数，兼容性强。
  • 指针初始化 ：_prev与_next初始化为nullptr，避免野指针风险，后续由容器类统一管理指针链接。

2.2 模块 2：迭代器（list_iterator）------ 容器的 "导航工具"

List 的迭代器不是原生指针而是封装list_node*的类，通过运算符重载模拟指针行为，同时用 "三模板参数" 复用普通 /const 迭代器。

2.2.1 代码实现（来自 list.h）

cpp 复制代码 
namespace Lotso
{
    // 迭代器类：T-数据类型，Ref-引用类型，Ptr-指针类型
    template<class T, class Ref, class Ptr>
    struct list_iterator
    {
        using Self = list_iterator<T, Ref, Ptr>;  // 简化自身类型名
        using Node = list_node<T>;                // 节点类型别名
        Node* _node;                              // 迭代器指向的节点指针

        // 迭代器构造：接收节点指针初始化
        list_iterator(Node* node)
            : _node(node)
        {}

        // 1. 解引用运算符：返回数据引用（普通迭代器可修改，const不可）
        Ref operator*()
        {
            return _node->_data;
        }

        // 2. 箭头运算符：支持复杂类型成员访问（如struct.field）
        Ptr operator->()
        {
            return &_node->_data;
        }

        // 3. 前置++：向后移动（指向后继节点）
        Self& operator++()
        {
            _node = _node->_next;
            return *this;
        }

        // 4. 后置++：先返回当前，再移动
        Self operator++(int)
        {
            Self tmp(*this);
            _node = _node->_next;
            return tmp;
        }

        // 5. 前置--：向前移动（指向前驱节点）
        Self& operator--()
        {
            _node = _node->_prev;
            return *this;
        }

        // 6. 后置--：先返回当前，再移动
        Self operator--(int)
        {
            Self tmp(*this);
            _node = _node->_prev;
            return tmp;
        }

        // 7. 相等判断：比较节点指针
        bool operator!=(const Self& s) const
        {
            return _node != s._node;
        }

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

2.2.2 核心解析

  • 三模板参数复用：参考 string 的 const 迭代器设计，Ref为T&时是普通迭代器（可修改数据），为const T&时是 const 迭代器（只读）；Ptr同理，避免单独定义 const 迭代器的代码冗余(单独定义一个的话和普通迭代器区别不大，所以比较浪费)。
  • 运算符重载：完全模拟指针行为，遍历（++/--）、访问数据（*/->）的用法与原生指针一致，无需改变使用习惯。
  • 无内存管理：迭代器仅作为 "导航工具"，不负责节点内存的创建与释放，避免与容器类的内存逻辑耦合。

2.3 模块3：容器类（list）------List 功能的 "中枢"

容器类整合节点与迭代器，提供构造，插入，删除，遍历等核心接口，底层通过调整指针实现高效的操作(参考 string 的"接口复用"思想，如 push_back 复用 insert)。

2.3.1 代码实现（来自 list.h）

cpp 复制代码 
namespace Lotso
{
    template<class T>
    class list
    {
        using Node = list_node<T>;  // 节点类型别名
    public:
        // 类型重定义：普通/const迭代器（复用list_iterator）
        using iterator = list_iterator<T, T&, T*>;
        using const_iterator = list_iterator<T, const T&, const T*>;

        // -------------------------- 迭代器接口 --------------------------
        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); }

        // -------------------------- 初始化接口 --------------------------
        // 空链表初始化：创建哨兵头节点，形成自环
        void empty_init()
        {
            _head = new Node;
            _head->_prev = _head;
            _head->_next = _head;
        }

        // 默认构造
        list() { empty_init(); }

        // 初始化列表构造（支持{1,2,3}形式）
        list(initializer_list<T> il)
        {
            empty_init();
            for (auto& e : il) push_back(e);
        }

        // 范围构造（支持[first, last)区间）
        template <class InputIterator>
        list(InputIterator first, InputIterator last)
        {
            empty_init();
            while (first != last)
            {
                push_back(*first);
                ++first;
            }
        }

        // 析构函数：释放所有节点，避免内存泄漏
        ~list()
        {
            clear();          // 先删除所有数据节点
            delete _head;     // 再删除哨兵头节点
            _head = nullptr;  // 置空指针，避免野指针
            _size = 0;
        }

        // -------------------------- 插入删除接口 --------------------------
        // 尾插：复用insert，简化代码
        void push_back(const T& x) { insert(end(), x); }

        // 头插：复用insert
        void push_front(const T& x) { insert(begin(), x); }

        // 尾删：复用erase
        void pop_back() { erase(--end()); }

        // 头删：复用erase
        void pop_front() { erase(begin()); }

        // 任意位置插入：调整指针实现O(1)插入
        void insert(iterator pos, const T& x)
        {
            Node* cur = pos._node;    // pos指向的当前节点
            Node* prev = cur->_prev;  // 当前节点的前驱
            Node* newnode = new Node(x);  // 新建数据节点

            // 调整指针：prev <-> newnode <-> cur
            newnode->_prev = prev;
            newnode->_next = cur;
            prev->_next = newnode;
            cur->_prev = newnode;

            ++_size;  // 有效元素个数递增
        }

        // 任意位置删除：返回下一个有效迭代器，避免失效
        iterator erase(iterator pos)
        {
            Node* cur = pos._node;    // 待删除节点
            Node* prev = cur->_prev;  // 前驱节点
            Node* next = cur->_next;  // 后继节点

            // 调整指针：跳过cur节点，连接prev和next
            prev->_next = next;
            next->_prev = prev;
            delete cur;  // 释放待删除节点内存
            --_size;     // 有效元素个数递减

            return iterator(next);  // 返回下一个有效迭代器
        }

        // 清空容器：保留哨兵头节点，便于后续复用
        void clear()
        {
            iterator it = begin();
            while (it != end()) it = erase(it);
        }

        // -------------------------- 其他接口 --------------------------
        // 获取有效元素个数
        size_t size() const { return _size; }

    private:
        Node* _head;   // 哨兵头节点指针
        size_t _size = 0;  // 有效数据节点个数
    };
}

2.3.2 核心解析

  • 空初始化empty_init()：参考string的reserve初始化逻辑，创建哨兵位头节点统一空链表和非空链表的操作逻辑，避免插入时还需额外判断是"否为头节点"。
  • 接口复用 ：push_back/push_front复用insert，pop_back/pop_front复用erase，减少代码冗余，与 string 的+=复用push_back思路一致。
  • 迭代器失效处理 ：erase返回下一个有效迭代器，用户可通过it=erase(it)更新迭代器，避免访问失效节点，解决List迭代器失效的核心痛点。
  • 内存管理：析构函数先clear()删除所有数据节点，再释放哨兵位头节点，确保无内存泄漏；clear()进删除数据节点，保留头节点，便于容器后续复用。

三. 功能测试：用 test.cpp 验证 List 正确性

参考 string 实现博客的 "测试用例 + 结果分析" 风格，用你提供的test.cpp代码，覆盖构造、遍历、插入、删除等核心场景，验证容器功能。

3.1 测试用例1：基础构造与遍历(push_back+迭代器/范围for)

3.1.1 代码实现(来自 test.cpp)

cpp 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"list.h"
using namespace std;

void test_list1()
{
    Lotso::list<int> lt;
    // 尾插4个元素
    lt.push_back(1);
    lt.push_back(2);
    lt.push_back(3);
    lt.push_back(4);

    // 1. 迭代器遍历
    Lotso::list<int>::iterator it = lt.begin();
    while (it != lt.end())
    {
        cout << *it << " ";  // 预期输出：1 2 3 4
        ++it;
    }
    cout << endl;

    // 2. 范围for遍历（依赖begin()和end()）
    for (auto e : lt)
    {
        cout << e << " ";  // 预期输出：1 2 3 4
    }
    cout << "\n" << endl;
}

int main()
{
	test_list1();
	return 0;
}

3.1.2 测试结构与分析


结论 ：默认构造、尾插及两种遍历方式均正常工作，迭代器begin()/end()逻辑正确。

3.2 测试用例 2：头插、头删、尾删

3.2.1 代码实现（来自 test.cpp）

cpp 复制代码 
void test_list2()
{
	Lotso::list<int> lt;
	// 头插2个元素，尾插2个元素
	lt.push_front(-2);
	lt.push_front(-1);
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);

	cout << "头插+尾插后：";
	for (auto e : lt) cout << e << " ";  // 预期输出：-1 -2 1 2
	cout << endl;

	// 尾删2次，头删2次
	lt.pop_back();
	lt.pop_back();
	lt.pop_front();
	lt.pop_front();

	cout << "删除后size：" << lt.size() << endl;  // 预期输出：0
	cout << endl;
}

int main()
{
	//test_list1();
	test_list2();
	return 0;
}

3.2.2 测试结果与分析


结论： 头插，头删，尾删功能正常，size()接口能正确反映有效元素个数

3.3 测试用例 3：const 迭代器与拷贝构造

3.3.1 代码实现（来自 test.cpp）

cpp 复制代码 
// 用const迭代器遍历的打印函数（验证只读特性）
void Print(const Lotso::list<int>& lt)
{
    Lotso::list<int>::const_iterator it = lt.begin();
    while (it != lt.end())
    {
        // *it = 10;  // 编译报错：const迭代器不可修改数据
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;
}

void test_list3()
{
    // 初始化列表构造
    Lotso::list<int> lt1 = { 1,2,3,4,5,6 };
    // 拷贝构造
    Lotso::list<int> lt2(lt1);

    cout << "lt2（拷贝lt1）：";
    for (auto e : lt2) cout << e << " ";  // 预期输出：1 2 3 4 5 6
    cout << endl;

    // const迭代器遍历
    const Lotso::list<int>& clt = lt1;
    cout << "const迭代器遍历lt1：";
    Print(clt);  // 预期输出：1 2 3 4 5 6
    cout << endl;
}

int main()
{
	//test_list1();
	//test_list2();
	test_list3();
	return 0;
}

3.3.2 测试结果与分析

结论：拷贝构造实现深拷贝（修改 lt1 不影响 lt2），const 迭代器仅支持只读访问，符合设计预期。

3.4 测试用例 4：insert、erase 与 clear

3.4.1 代码实现（来自 test.cpp）

cpp 复制代码 
void test_list4()
{
	Lotso::list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);

	// 任意位置插入：在第2个元素（2）前插入100
	auto it = lt.begin();
	++it;
	lt.insert(it, 100);
	cout << "插入100后：";
	for (auto e : lt) cout << e << " ";  // 预期输出：1 100 2 3 4
	cout << endl;

	// 任意位置删除：删除100
	it = lt.begin();
	++it;
	it = lt.erase(it);
	cout << "删除100后：";
	for (auto e : lt) cout << e << " ";  // 预期输出：1 2 3 4
	cout << endl;

	// 清空容器
	lt.clear();
	cout << "clear后size：" << lt.size() << endl;  // 预期输出：0
}
int main()
{
	//test_list1();
	//test_list2();
	test_list3();
	//test_list4();
	return 0;
}

3.4.2 测试结果与分析

结论：任意位置插入 / 删除功能正常，clear()能正确清空数据节点，erase返回的迭代器有效。

结尾：

往期回顾：
《C++ STL list 完全指南：从基础操作到特性对比，解锁链表容器高效用法》
揭开 C++ vector 底层面纱：从三指针模型到手写完整实现
结语：至此，我们完成了从双向循环链表原理到 C++ List 容器的实战落地。从哨兵节点简化边界逻辑，到双向指针支撑迭代器操作，每一步都印证了 "底层结构决定容器特性"------ 正是链表的设计，让 List 在频繁插入删除场景中具备 O (1) 效率。手写 List 的核心价值，在于跳出 STL 黑盒，真正吃透迭代器失效、内存分配等细节，夯实指针操作与容器设计思维。后续可进一步探索 STL 源码优化，或尝试手写其他容器，在实践中持续深化 C++ 底层能力。

✨把这些内容吃透超牛的！放松下吧✨ ʕ˘ᴥ˘ʔ づきらど

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