【C++】深入理解list迭代器的设计与实现

引言

在STL容器中，list作为经典的双向链表容器，其迭代器设计体现了C++模板编程的精髓。本文将深入探讨如何从零开始设计一个符合STL规范的list迭代器，揭示其背后的设计哲学和技术细节。

1、链表基础结构

template <class T>
struct list_node {
	T data_;
	list_node<T>* next_;
	list_node<T>* prev_;
	list_node(const T& data = T()) 
		: data_(data), next_(nullptr), prev_(nullptr) { }
};

每一个节点包含前驱指针、后继指针和数据元素，构成双向链表的基础单元。

2、链表迭代器的封装

list不像vector那样是一段连续的空间，方便通过直接通过+、-来计算地址位置，因此不能采用原生指针进行typedef，需要将节点类型进行封装，通过运算符重载来达到移动“迭代器指针”。

2.1 初步封装迭代器类

template <class T>
struct __list_iterator {
	typedef list_node<T> node;
	typedef __list_iterator<T> self;
	node* node_; // 成员变量，为一个节点的指针
	__list_iterator(node* node)
		: node_(node) { }

	// 解引用操作符重载
	T& operator*() {
		return node_->data_;
	}

	// 后置++操作符重载，完成迭代器的移动
	self& operator++() {
		node_ = node_->next_; // 移动到下一个节点
		return *this;
	}

	// !=操作符重载
	bool operator!=(const self& other) {
		return node_ != other.node_;
	}
};

2.2 引入const迭代器

如上述代码，若实现const迭代器，本能的反映是再封装一个迭代器类，但这个类与普通迭代器实现是没有区别的，只是在返回参数上有所改变。而再封装一个类导致了代码的冗余，我们是否可以只封装一个迭代器类，实现const和非const功能呢？

2.2.1 参考STL源代码

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator {
  typedef __list_iterator<T, T&, T*>             iterator;
  typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
  typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr>           self;
}

• 从STL源代码中我们可以看到，list迭代器在设计中，使用了三个模板参数，分别是：
  • 数据类型T
  • 引用数据类型Ref
  • 指针数据类型Ptr

2.2.2 完善迭代器

template <class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator {
	typedef list_node<T> node;
	typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
	node* node_; // 成员变量，为一个节点的指针
	__list_iterator(node* node)
		: node_(node) { }

	// 解引用操作符重载
	Ref operator*() {
		return node_->data_;
	}

	// 后置++操作符重载，完成迭代器的移动
	self& operator++() {
		node_ = node_->next_; // 移动到下一个节点
		return *this;
	}

	// !=操作符重载
	bool operator!=(const self& other) {
		return node_ != other.node_;
	}

	// ->操作符重载
	Ptr operator->() {
		return &(node_->data_);
	}
};

// typedef迭代器类
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

3、迭代器实现机制

操作类型	失效情况
插入操作	不影响现有迭代器
删除操作	被删除元素的迭代器立即失效
合并/转移操作	被转移元素的迭代器失效

结语

list迭代器设计体现了C++模板元编程的强大能力，通过精巧的类型系统设计和操作符重载，使得链表容器能够无缝接入STL算法体系。理解其实现原理不仅有助于深入掌握STL工作机制，更能提升我们对迭代器设计模式的认识。