在 C++ 标准库中，list 是一个基于双向循环链表的容器，它以插入 / 删除操作高效、迭代器稳定等特性，成为 STL 容器家族的重要成员。本文将从数据结构设计、迭代器原理、内存管理等维度，详细解析 list 的模拟实现过程。
1. list的成员变量
1.1 节点结构（list_node）
双向链表的每个节点需要存储三部分信息：数据 、前驱指针 （指向前一个节点）、后继指针（指向后一个节点）。结构定义如下：
cpp
template<class T>
struct list_node
{
T _data; // 存储数据的成员
list_node<T>* _prev; // 指向前一个节点的指针
list_node<T>* _next; // 指向后一个节点的指针
// 构造函数：初始化数据和指针
list_node(const T& data = T())
:_data(data)
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
};_data： 存储任意类型的元素（由模板 T 决定）。
**_prev 和 _next：**通过指针形成双向链接，使链表能向前、向后遍历。
在这里使用struct而不是class是因为默认访问权限struct默认成员为public，而class是private，我们为了方便后续操作，直接设置为struct。
而在list类中我们的基础设计如下：
cpp
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> Node; // 节点类型别名
// 构造、析构、拷贝控制、增删查改等接口...
private:
Node* _head; // 头结点（哨兵节点）
size_t _size; // 链表有效元素个数
};标准库 list 采用双向循环链表，并引入一个头结点（哨兵节点）。头结点不存储有效数据，仅用于简化边界条件：
头结点的 _next 指向第一个有效节点；
头结点的 _prev 指向最后一个有效节点；
最后一个有效节点的 _next 指向头结点，形成循环。
2. list的迭代器
迭代器是 STL 容器的灵魂，它封装了对容器元素的访问逻辑。对于 list，迭代器需要支持解引用、前后移动、比较等操作。
2.1 迭代器的模板设计（list_iterator）
为了同时支持普通迭代器 和const 迭代器，我们采用模板参数 Ref（引用类型）和 Ptr（指针类型）来区分：
cpp
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct list_iterator
{
typedef list_node<T> Node; // 节点类型别名
typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self; // 迭代器自身类型别名
Node* _node; // 指向当前节点的指针
// 构造函数：用节点指针初始化迭代器
list_iterator(Node* node)
:_node(node)
{}
// 1. 解引用操作：获取节点数据
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
Ptr operator->()
{
return &_node->_data;
}
// 2. 前置++：移动到下一个节点（返回自身引用）
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
// 3. 前置--：移动到前一个节点（返回自身引用）
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
// 4. 后置++：移动到下一个节点（返回旧迭代器的拷贝）
Self operator++(int)
{
Self tmp = *this;
_node = _node->_next;
return tmp;
}
// 5. 后置--：移动到前一个节点（返回旧迭代器的拷贝）
Self operator--(int)
{
Self tmp = *this;
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
// 6. 迭代器比较：判断是否指向同一个节点
bool operator!=(const Self& s) const
{
return _node != s._node;
}
bool operator==(const Self& s) const
{
return _node == s._node;
}
};**Ref 和 Ptr 的作用：**当 T 是普通类型时，Ref 为 T& 、Ptr 为 T* ；当 T 是 const 类型时，Ref 为 const T& 、Ptr 为 const T* 。这样一份代码就能同时支持普通迭代器和 const 迭代器。
在list中：
cpp
typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;2.2 迭代器的 "不失效" 特性
- 与 vector 不同，list 的迭代器在插入和删除操作时不会失效（除非被删除的是自身）。原因是：
插入操作仅修改相邻节点的指针，不影响其他节点的迭代器（list内存不是连续的）。
- 删除操作返回 "下一个节点的迭代器"，开发者可通过接收返回值保持迭代器有效性。
3. list的完整实现
3.1 类的基本结构与成员
cpp
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> Node; // 节点类型别名
public:
// 普通迭代器和 const 迭代器
typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
// 构造、析构、拷贝控制、增删查改等接口...
private:
Node* _head; // 头结点（哨兵节点）
size_t _size; // 链表有效元素个数
};3.2 初始化及构造函数
为了统一初始化逻辑，封装 empty_init 函数来初始化头结点：
cpp
void empty_init()
{
_head = new Node; // 新建头结点
_head->_next = _head; // 头结点的 next 指向自身
_head->_prev = _head; // 头结点的 prev 指向自身
_size = 0; // 初始长度为 0
}
// 1. 默认构造
list()
{
empty_init();
}
// 2. 初始化列表构造（C++11 特性）
//关于这个我们目前来说了解即可，该构造可以让我们用多个元素直接构造
list(initializer_list<T> il)
{
empty_init();
for (auto& e : il)
{
push_back(e); // 逐个插入元素
}
}
// 3. 拷贝构造（深拷贝）
list(const list<T>& lt)
{
empty_init();
for (auto& e : lt) // 遍历原链表，逐个插入元素
{
push_back(e);
}
}**拷贝构造的深拷贝：**必须遍历原链表并逐个插入元素，否则会导致多个链表共享同一份节点（浅拷贝）。
3.3 赋值运算符重载与析构函数
cpp
void swap(list<T>& lt)
{
std::swap(_head, lt._head); // 交换头结点指针
std::swap(_size, lt._size); // 交换长度
}
// 赋值运算符重载（现代写法：利用拷贝构造 + 交换）
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
swap(lt); // 交换当前对象和临时对象的资源
return *this;
}
// 析构函数
~list()
{
clear(); // 清空所有有效节点
delete _head; // 释放头结点
_head = nullptr;
}**赋值运算符的现代写法：**通过传值拷贝临时对象，再交换资源，既保证了异常安全，又简化了逻辑。
3.4 迭代器接口
提供 begin 和 end 接口，分别返回指向第一个有效节点和头结点的迭代器：
cpp
iterator begin() { return _head->_next; }
iterator end() { return _head; }
const_iterator begin() const { return _head->_next; }
const_iterator end() const { return _head; }begin() 指向第一个有效元素，end() 指向头结点（作为 "尾后迭代器"），符合 STL 容器的设计规范。
3.5 关键功能接口
（1）insert
insert 是双向链表的核心操作，它在指定迭代器 pos 前插入新节点：
cpp
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
Node* cur = pos._node; // pos 指向的当前节点
Node* prev = cur->_prev; // 当前节点的前驱节点
Node* newnode = new Node(x); // 新建节点
// 建立双向链接
cur->_prev = newnode;
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
++_size; // 链表长度加 1
return iterator(newnode); // 返回新节点的迭代器
}基于 insert，可以封装 push_back（尾插）和 push_front（头插）：
cpp
// 在尾后迭代器前插入
void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x);
}
// 在第一个元素前插入
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
} （2）erase
erase 负责删除 pos 指向的节点，并返回下一个节点的迭代器（保证迭代器不失效）：
cpp
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos != end()); // 不能删除头结点（尾后迭代器）
Node* prev = pos._node->_prev; // 待删节点的前驱
Node* next = pos._node->_next; // 待删节点的后继
// 跳过待删节点，建立新链接
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete pos._node; // 释放待删节点的内存
--_size; // 链表长度减 1
return iterator(next); // 返回下一个节点的迭代器
}基于 erase，可以封装 pop_back（尾删）和 pop_front（头删）：
cpp
// 删除第一个元素
void pop_front()
{
erase(begin());
}
// 删除最后一个元素（先移动到最后一个有效节点）
void pop_back()
{
erase(--end());
} 3.6 辅助接口实现
cpp
//为了避免内存泄漏，需要提供 clear 方法清空链表，并在析构函数中释放所有资源
void clear()
{
auto it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it); // 逐个删除节点，利用 erase 返回的迭代器更新 it
}
}
// 返回链表长度
size_t size() const
{
return _size;
}
// 判断是否为空
bool empty() const
{
return _size == 0;
}
//打印容器
template <class Container>
void print_container(const Container& con)
{
for (auto& e : con)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}4. 源码
list.h
cpp
#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
namespace nep
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
list_node(const T& data = T())
:_data(data)
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
};
//Ref 传的引用 Ptr 传的指针
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;
}
//前置
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
//后置
Self operator++(int)
{
Self tmp = *this;
_node = _node->_next;
return tmp;
}
Self operator--(int)
{
Self tmp = *this;
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
bool operator!=(const Self& s) const
{
return _node != s._node;
}
bool operator==(const Self& s) const
{
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;
}
//默认构造
list()
{
empty_init();
}
list(initializer_list<T> il)
{
empty_init();
for (auto& e : il)
{
push_back(e);
}
}
//拷贝构造
list(const list<T>& lt)
{
empty_init();
for (auto& e : lt)
{
push_back(e);
}
}
//赋值运算符重载
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
swap(lt);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
void clear()
{
auto it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
void swap(list<T>& lt)
{
std::swap(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x);
}
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* newnode = new Node(x);
cur->_prev = newnode;
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
++_size;
return iterator(newnode);
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
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;
--_size;
return iterator(next);
}
size_t size() const
{
return _size;
}
bool empty() const
{
return _size == 0;
}
private:
Node* _head; //头结点
size_t _size;
};
//测试类
struct AA
{
int _a1 = 1;
int _a2 = 1;
};
template <class Container>
void print_container(const Container& con)
{
/*typename Container::const_iterator it = con.begin();
while (it != con.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;*/
for (auto& e : con)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
}test.cpp
cpp
#include"List.h"
namespace nep
{
void test_list1()
{
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())
{
*it += 10;
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
print_container(lt);
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;
// 特殊处理，本来应该是两个->才合理，为了可读性，省略了一个->
cout << ita->_a1 << ":" << ita->_a2 << endl;
cout << ita.operator->()->_a1 << ":" << ita.operator->()->_a2 << endl;
++ita;
}
cout << endl;
}
void test_list2()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
print_container(lt);
// insert以后迭代器不失效
list<int>::iterator it = lt.begin();
lt.insert(it, 10);
*it += 100;
print_container(lt);
// erase以后迭代器失效
// 删除所有的偶数
it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
it = lt.erase(it);
}
else
{
++it;
}
}
print_container(lt);
}
void test_list3()
{
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_list4()
{
// 直接构造
list<int> lt0({ 1,2,3,4,5,6 });
// 隐式类型转换
list<int> lt1 = { 1,2,3,4,5,6,7,8 };
const list<int>& lt3 = { 1,2,3,4,5,6,7,8 };
func(lt0);
func({ 1,2,3,4,5,6 });
print_container(lt1);
//auto il = { 10, 20, 30 };
/* initializer_list<int> il = { 10, 20, 30 };
cout << typeid(il).name() << endl;
cout << sizeof(il) << endl;*/
}
}
int main()
{
nep::test_list1();
//nep::test_list2();
//nep::test_list3();
//nep::test_list4();
return 0;
}结语
好好学习，天天向上！有任何问题请指正，感谢观看！