从零实现 list 容器：细粒度剖析与代码实现

接上篇【C++篇】深度剖析C++ STL：玩转 list 容器，解锁高效编程的秘密武器

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本文详细介绍如何从零开始实现一个 C++ list 容器，帮助读者深入理解 list 的底层实现，包括核心数据结构、迭代器的设计、以及常见的插入、删除等操作。从初学者到进阶开发者都能从中受益。

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前言

在 C++ 标准模板库 (STL) 中，list 是一种双向链表容器，适合频繁的插入和删除操作。它与 vector 的主要区别在于 list 不支持随机访问，并且在进行插入、删除操作时无需移动其他元素。这使得 list 在某些需要大量动态修改元素的场景下具有独特优势，例如链表的插入删除操作具有 O(1) 的时间复杂度。

为了更好地理解 list 的工作原理，本文将从零开始实现一个简化版的 list，并详细分析每个步骤背后的实现原理及其易错点。

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1. list 的核心数据结构

在 list 的实现中，底层是通过双向链表结构来存储数据。双向链表中的每个节点不仅包含数据，还包含指向前一个节点和后一个节点的两个指针。以下是节点结构的定义：

namespace W {// 定义链表节点template<class T>struct ListNode {T _val;               // 节点存储的值ListNode* _prev;      // 指向前一个节点ListNode* _next;      // 指向后一个节点ListNode(const T& val = T()) : _val(val), _prev(nullptr), _next(nullptr) {}};
}

1.1节点结构分析：

1. _val：存储节点的数据。
2. _prev 和 _next：分别指向前一个节点和后一个节点，便于实现双向链表的遍历、插入和删除操作。

该结构简单明了，双向链表的节点可以方便地进行前向和后向操作。接下来我们将实现如何使用该结构构建一个完整的 list 容器。

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2. 迭代器设计与实现

2.1 为什么 list 需要迭代器？

在 C++ 中，vector 是一种动态数组，元素在内存中是连续存储的，因此我们可以使用下标快速访问元素，例如 vec[0] 可以直接访问 vector 的第一个元素。而 list 底层是通过链表结构实现的，每个节点在内存中的位置并不连续。因此，链表无法像数组一样通过下标随机访问元素。每个节点都通过指针链接到前一个节点（_prev）和后一个节点（_next）。为了遍历链表，我们需要使用迭代器。

迭代器的作用类似于一个指针，它指向链表中的某个节点，允许我们通过类似指针的方式来访问和操作链表节点。与普通指针不同，迭代器提供了更高级的功能，并且能够保持接口的一致性，因此它成为了 STL 容器中访问元素的核心工具。

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2.2 实现一个简单的迭代器

为了实现最基本的链表迭代器，首先我们需要定义链表节点的结构。该结构已经在上文定义了。

接下来，我们将实现 ListIterator，它内部保存一个指向 ListNode 的指针 _node，并支持以下基本操作：

1. 解引用操作：通过 *it 访问链表节点中的值。
2. 前向移动操作：通过 ++it 访问链表中的下一个节点。
3. 比较操作：通过 it != end() 判断两个迭代器是否相等。

2.2.1 迭代器代码实现：

namespace W {template<class T>class ListIterator {typedef ListNode<T> Node;  // 使用 Node 表示链表节点类型public:// 构造函数，接受一个指向链表节点的指针ListIterator(Node* node = nullptr) : _node(node) {}// 解引用操作，返回节点的值T& operator*() { return _node->_val; }// 前向移动操作，指向下一个节点ListIterator& operator++() {_node = _node->_next;  // 将当前节点移动到下一个节点return *this;  // 返回自身以支持链式调用}// 比较操作，判断两个迭代器是否相等bool operator!=(const ListIterator& other) const { return _node != other._node; }private:Node* _node;  // 迭代器指向的链表节点};
}

2.2.2 解释：

1. 构造函数：初始化一个指向链表节点的指针 _node，用于遍历链表。
2. operator*：返回节点存储的值 _val。
3. operator++：将迭代器移动到链表中的下一个节点。
4. operator!=：用于判断两个迭代器是否相等。

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2.3 测试简单迭代器

为了验证我们刚刚实现的迭代器功能，先创建一些链表节点，并将它们链接成一个链表。然后我们使用迭代器遍历链表并输出每个节点的值。

2.3.1 测试代码：

#include <iostream>int main() {// 创建三个节点，分别存储值 1、2、3W::ListNode<int> node1(1);      W::ListNode<int> node2(2);      W::ListNode<int> node3(3);      // 链接节点形成链表node1._next = &node2;  // node1 的下一个节点是 node2node2._prev = &node1;  // node2 的前一个节点是 node1node2._next = &node3;  // node2 的下一个节点是 node3node3._prev = &node2;  // node3 的前一个节点是 node2// 创建迭代器，指向第一个节点W::ListIterator<int> it(&node1);// 使用迭代器遍历链表并输出每个节点的值while (it != nullptr) {std::cout << *it << std::endl;  // 输出当前节点的值++it;  // 前向移动到下一个节点}return 0;
}

2.3.2 输出：

1
2
3

2.3.3 解释：

1. 迭代器 it 初始指向第一个节点 node1。
2. 通过 *it 获取节点的值，并通过 ++it 将迭代器移动到下一个节点，直到链表末尾。

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2.4 增加后向移动和 -> 运算符

目前的迭代器只能进行前向移动，而 list 是双向链表，因此我们还需要增加后向移动 (--) 的功能，使迭代器可以从链表末尾向前遍历。同时，为了让迭代器像指针一样操作，我们还需要重载 -> 运算符，以便可以通过 -> 访问链表节点的成员。

2.4.1关键点：

1. 当 _val 是基本数据类型（如 int）时，可以直接通过 *it 来获取节点的值，而不需要使用 *(it->)。虽然 *(it->) 语法上是正确的，但显得繁琐且不必要。

   为什么 *(it->) 是正确的？
   因为 it-> 是在调用 operator->()，返回 _val 的指针，然后 *(it->) 解引用该指针。语法上是没有问题的，但通常我们直接使用 *it 更简洁。

2. 当 _val 是自定义类型时，可以使用 it->x 直接访问自定义类型的成员变量 x。编译器会将 it->x 优化为 it.operator->()->x，让访问更加方便。

2.4.2 增加后向移动和 -> 运算符的实现代码：

namespace W {template<class T>class ListIterator {typedef ListNode<T> Node;public:ListIterator(Node* node = nullptr) : _node(node) {}// 解引用操作，返回节点的值T& operator*() { return _node->_val; }// 指针操作，返回节点的指针T* operator->() { return &(_node->_val); }// 前向移动ListIterator& operator++() {_node = _node->_next;return *this;}// 后向移动ListIterator& operator--() {_node = _node->_prev;return *this;}// 比较操作bool operator!=(const ListIterator& other) const { return _node != other._node; }private:Node* _node;};
}

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2.5 测试前后移动和 -> 运算符

2.5.1 目的：

我们通过一个测试程序验证迭代器的前向和后向移动功能，同时通过 -> 运算符访问链表节点的值。我们会分别测试基本数据类型 int 和自定义类型 CustomType 的场景，展示迭代器在不同数据类型下的使用方式。

2.5.2 测试代码：

1. 对于 int 类型，我们可以通过 *it 来访问节点的值，而不需要使用 *(it->)，虽然 *(it->) 也是合法的，但没有必要。

2. 对于自定义类型 CustomType，可以通过 it->x 来访问自定义类型 CustomType 中的成员变量 x。

#include <iostream>struct CustomType {int x;
};int main() {// 创建三个 int 类型的节点，分别存储值 1、2、3W::ListNode<int> node1(1);      W::ListNode<int> node2(2);      W::ListNode<int> node3(3);      // 链接节点形成链表node1._next = &node2;node2._prev = &node1;node2._next = &node3;node3._prev = &node2;// 创建迭代器，初始指向第二个节点W::ListIterator<int> it(&node2);// 对于 int 类型，使用 *it 访问节点的值std::cout << *it << std::endl;  // 输出 2// 后向移动，指向第一个节点--it;std::cout << *it << std::endl;  // 输出 1// 前向移动，指向第三个节点++it;++it;std::cout << *it << std::endl;  // 输出 3// 创建自定义类型 CustomType 的节点W::ListNode<CustomType> customNode1({1});W::ListNode<CustomType> customNode2({2});customNode1._next = &customNode2;customNode2._prev = &customNode1;// 创建自定义类型 CustomType 的迭代器W::ListIterator<CustomType> customIt(&customNode1);// 使用 it-> 访问 CustomType 的成员变量 xstd::cout << customIt->x << std::endl;  // 输出 1return 0;
}

2.5.3 输出：

2
1
3
1

2.5.4 解释：

1. 对于 int 类型的节点，我们通过 *it 访问节点的值，++it 和 --it 分别实现了前向和后向移动。
2. 对于自定义类型 CustomType 的节点，通过 it->x 可以访问自定义类型成员变量 x。编译器会将 it->x 优化为 it.operator->()->x，使得操作简化。

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2.6 为什么不能简单使用 const 修饰？

2.6.1 问题解释：

在 vector 中，const_iterator 通过 const 修饰符即可实现不可修改的迭代器，这是因为 vector 的底层存储是连续的内存块，通过 const 限制访问的值即可。而 list 的底层是双向链表，迭代器不仅需要访问链表节点的值，还需要操作链表的前驱和后继节点（即 _prev 和 _next 指针）。直接使用 const 修饰迭代器无法满足这些需求，因为 const 限制了对链表结构的必要修改。

2.6.2 为什么不能简单使用 const 修饰？

• const 修饰的迭代器会限制所有成员的修改，包括迭代器内部的 _node 指针。如果我们对 const 迭代器执行 ++ 或 -- 操作，这些操作会修改 _node，而 const 禁止这种修改。

2.6.3 错误示例：直接使用 const 修饰

下面是一个简单的错误示例，展示了为什么简单地使用 const 修饰符会导致问题：

2.6.4 错误代码：

#include <iostream>template<class T>
struct ListNode {T _val;ListNode* _prev;ListNode* _next;ListNode(T val) : _val(val), _prev(nullptr), _next(nullptr) {}
};template<class T>
class ListIterator {typedef ListNode<T> Node;public:ListIterator(Node* node = nullptr) : _node(node) {}// 解引用操作，返回节点的值T& operator*() { return _node->_val; }// 前向移动ListIterator& operator++() {_node = _node->_next;return *this;}// 后向移动ListIterator& operator--() {_node = _node->_prev;return *this;}private:Node* _node;
};int main() {// 创建三个节点，分别存储值 1、2、3ListNode<int> node1(1), node2(2), node3(3);// 链接节点形成链表node1._next = &node2;node2._prev = &node1;node2._next = &node3;node3._prev = &node2;// 尝试创建一个 const 迭代器const ListIterator<int> constIt(&node1);// 错误1：前向移动时，编译器报错，因为 ++ 操作符不能对 const 迭代器操作++constIt;  // 编译错误// 错误2：解引用操作也无法进行修改*constIt = 5;  // 编译错误
}

2.6.5 错误分析：

1. 无法执行前向移动 (++constIt)：由于 const 修饰符限制了修改成员变量 _node，因此 ++ 操作无法执行，因为该操作会修改迭代器的内部指针。

2. 无法修改节点的值 (*constIt = 5)：由于迭代器是 const 的，解引用操作也不能用于修改节点的值，因此编译器会报错。

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2.7 正确的解决方案：使用模板参数区分 const 和 non-const

为了处理上述问题，我们可以使用模板参数来区分 const 和 non-const 的情况。通过模板参数 Ref 和 Ptr，我们可以控制迭代器的行为，使得它在常量链表和非常量链表中都能正常工作。

2.7.1 使用模板参数的好处：

• 灵活性：可以根据需要处理 const 和 non-const 的迭代器场景。
• 安全性：对于常量链表，保证不能修改节点的值；对于非常量链表，允许修改。
• 代码复用：通过模板参数，既可以编写一套代码，处理 const 和 non-const 两种情况。

2.7.2 实现代码：

namespace W {template<class T, class Ref, class Ptr>class ListIterator {typedef ListNode<T> Node;  // 使用 Node 表示链表节点类型public:ListIterator(Node* node = nullptr) : _node(node) {}// 解引用操作，返回节点的值Ref operator*() const { return _node->_val; }// 指针操作，返回节点的值的指针Ptr operator->() const { return &_node->_val; }// 前向移动ListIterator& operator++() {_node = _node->_next;return *this;}// 后向移动ListIterator& operator--() {_node = _node->_prev;return *this;}// 比较操作，判断两个迭代器是否相等bool operator!=(const ListIterator& other) const { return _node != other._node; }private:Node* _node;};
}

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2.8 测试模板泛化后的迭代器

现在我们通过测试来验证模板参数 Ref 和 Ptr 的设计是否能够正确处理常量链表和非常量链表的迭代器情况。以下场景将会被测试：

1. 非常量链表：迭代器允许修改节点的值。
2. 常量链表：const 迭代器只能读取节点值，不能修改。

2.8.1 测试代码：

#include <iostream>struct CustomType {int x;
};int main() {// 创建三个 int 类型的节点，分别存储值 1、2、3W::ListNode<int> node1(1);      W::ListNode<int> node2(2);      W::ListNode<int> node3(3);      // 链接节点形成链表node1._next = &node2;node2._prev = &node1;node2._next = &node3;node3._prev = &node2;// 创建一个非常量迭代器W::ListIterator<int, int&, int*> it(&node1);std::cout << *it << std::endl;  // 输出 1++it;  // 前向移动std::cout << *it << std::endl;  // 输出 2// 修改节点的值*it = 20;std::cout << *it << std::endl;  // 输出 20// 创建一个常量链表节点const W::ListNode<int> constNode1(1);const W::ListNode<int> constNode2(2);constNode1._next = &constNode2;// 创建一个常量迭代器W::ListIterator<int, const int&, const int*> constIt(&constNode1);std::cout << *constIt << std::endl;  // 输出 1// 常量迭代器不允许修改值// *constIt = 10;  // 错误：无法修改常量链表节点的值return 0;
}

2.8.2 输出结果：

1
2
20
1

2.8.3 解释：

1. 非常量链表：
   • 使用 it 迭代器遍历链表，前向移动并修改节点的值。*it = 20 修改了第二个节点的值。
2. 常量链表：
   • 使用 constIt 迭代器只能读取节点的值，无法修改。如果尝试 *constIt = 10，编译器会报错，禁止修改。

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3. list 容器的基本操作

3.1 构造函数

我们将实现多种构造函数，允许用户创建空链表、指定大小的链表，以及从迭代器区间构造链表。

namespace W {template<class T>class list {typedef ListNode<T> Node;public:typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;// 默认构造函数list() { CreateHead(); }// 指定大小的构造函数list(size_t n, const T& val = T()) {CreateHead();for (size_t i = 0; i < n; ++i)push_back(val);}// 迭代器区间构造函数template<class Iterator>list(Iterator first, Iterator last) {CreateHead();while (first != last) {push_back(*first);++first;}}// 析构函数~list() {clear();delete _head;}// 头节点初始化void CreateHead() {_head = new Node();_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}// 清空链表void clear() {Node* cur = _head->_next;while (cur != _head) {Node* next = cur->_next;delete cur;cur = next;}_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}private:Node* _head;  // 指向头节点的指针};
}

3.2 构造函数分析：

1. 默认构造函数：创建一个空链表，并初始化头节点。
2. 指定大小构造函数：使用 push_back 向链表中插入 n 个值为 val 的节点。
3. 迭代器区间构造函数：通过一对迭代器 [first, last) 形成的区间构造链表。

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4. 插入与删除操作

list 容器的优势在于高效的插入与删除操作。我们将在指定位置插入节点，或删除指定节点，插入和删除的时间复杂度均为 O(1)。

4.1 插入操作

namespace W {template<class T>class list {typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;public:// 在指定位置前插入新节点iterator insert(iterator pos, const T& val) {Node* newNode = new Node(val);Node* cur = pos._node;newNode->_next = cur;newNode->_prev = cur->_prev;cur->_prev->_next = newNode;cur->_prev = newNode;return iterator(newNode);}// 在链表末尾插入新节点void push_back(const T& val) { insert(end(), val); }// 在链表头部插入新节点void push_front(const T& val) { insert(begin(), val); }};
}

4.1.1 插入操作分析：

• 插入效率：由于链表的结构，插入操作只需调整节点的指针，不涉及大规模的内存移动，时间复杂度为 O(1)。
• 头尾插入：通过 push_back 和 push_front 可以方便地在链表的头部和尾部插入新节点。

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4.2 删除操作

namespace W {template<class T>class list {typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;public:// 删除指定位置的节点iterator erase(iterator pos) {Node* cur = pos._node;Node* nextNode = cur->_next;cur->_prev->_next = cur->_next;cur->_next->_prev = cur->_prev;delete cur;return iterator(nextNode);}// 删除链表头部节点void pop_front() { erase(begin()); }// 删除链表尾部节点void pop_back() { erase(--end()); }};
}

4.2.1 删除操作分析：

• 删除效率：删除节点同样是通过调整指针实现，时间复杂度为 O(1)。
• 头尾删除：通过 pop_front 和 pop_back 实现头部和尾部节点的删除。

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5. 反向迭代器的设计

在双向链表中，反向迭代器可以通过包装普通迭代器实现。反向迭代器的 ++ 对应正向迭代器的 --，反之亦然。

namespace W {template<class Iterator>class ReverseListIterator {Iterator _it;public:ReverseListIterator(Iterator it) : _it(it) {}auto operator*() { Iterator temp = _it; --temp; return *temp; }auto operator->() { return &(operator*()); }ReverseListIterator& operator++() { --_it; return *this; }ReverseListIterator operator++(int) { ReverseListIterator temp = *this; --_it; return temp; }ReverseListIterator& operator--() { ++_it; return *this; }ReverseListIterator operator--(int) { ReverseListIterator temp = *this; ++_it; return temp; }bool operator==(const ReverseListIterator& other) const { return _it == other._it; }bool operator!=(const ReverseListIterator& other) const { return !(*this == other); }};
}

5.1 反向迭代器分析：

• 解引用和指针操作：反向迭代器的 operator* 和 operator-> 实际上是操作前一个节点。
• 前向和后向移动：反向迭代器的 ++ 操作是通过调用普通迭代器的 -- 来实现的。

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6. 迭代器失效问题

在操作 list 容器时，特别是在删除节点的过程中，可能会出现迭代器失效问题。迭代器失效是指当某个节点被删除后，指向该节点的迭代器变得无效，继续使用这个迭代器将导致未定义行为。因此，在删除节点后，必须使用返回的迭代器进行下一步操作，以避免迭代器失效问题。

6.1 删除操作中的迭代器失效

假设我们使用 erase 函数删除链表中的节点。如果我们继续使用之前的迭代器而不更新它，程序将会崩溃，因为该迭代器指向的内存已经被释放。

void TestIteratorInvalidation() {W::list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};auto it = lst.begin();while (it != lst.end()) {it = lst.erase(it);  // 正确：使用 erase 返回的新迭代器}
}

6.2 错误使用示例

下面的示例展示了错误的迭代器使用方式，迭代器在删除操作后没有更新，导致其指向了已被释放的内存。

void WrongIteratorUsage() {W::list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};auto it = lst.begin();while (it != lst.end()) {lst.erase(it);  // 错误：删除后 it 失效++it;  // 未更新的迭代器继续操作，导致崩溃}
}

6.3 解决方案

为了解决迭代器失效问题，每次删除节点后都要使用 erase 返回的新迭代器，确保迭代器指向的内存有效。

void CorrectIteratorUsage() {W::list<int> lst = {1, 2, 3, 4, 5};auto it = lst.begin();while (it != lst.end()) {it = lst.erase(it);  // 正确：每次使用 erase 返回的新迭代器}
}

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7. 总结与展望

通过这篇文章，我们从零开始模拟实现了一个 list 容器，并深入剖析了以下几个方面：

• 双向链表的核心数据结构：理解链表节点的 _prev 和 _next 指针，以及如何通过它们实现双向遍历。
• 迭代器的设计：实现了 list 的正向和反向迭代器，支持前向移动、后向移动和解引用操作。
• 模板参数解决 const 和 non-const 场景：通过模板参数 Ref 和 Ptr，灵活应对 const 链表和非常量链表的不同需求，保证代码的安全性和灵活性。
• 插入与删除操作：高效的插入和删除操作，时间复杂度均为 O(1)，体现了链表结构的优势。
• 反向迭代器的实现：通过包装普通迭代器，设计了一个反向迭代器，方便反向遍历链表。
• 迭代器失效问题：讲解了迭代器失效的原因及其解决方法，避免了未定义行为。

今后，读者您可以尝试进一步扩展这篇文章中的 list 容器，例如：

• 实现更多的容器操作：如 find、sort 等高级操作。
• 实现与 STL 接口兼容的完整 list 容器：包括迭代器失效的处理、异常安全的插入与删除操作。
• 性能优化与内存管理：如使用自定义的内存池优化链表的节点分配和释放。

通过持续的实践和优化，我们能够更深入地理解 C++ 标准库的实现细节，并在开发过程中提高代码的效率和健壮性。

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完整的 list 容器实现代码

最后，附上完整的代码实现，包括链表节点结构、迭代器、插入删除操作等。

namespace W {// 链表节点结构template<class T>struct ListNode {T _val;ListNode* _prev;ListNode* _next;ListNode(const T& val = T()) : _val(val), _prev(nullptr), _next(nullptr) {}};// 正向迭代器template<class T, class Ref, class Ptr>class ListIterator {typedef ListNode<T> Node;public:ListIterator(Node* node = nullptr) : _node(node) {}Ref operator*() const { return _node->_val; }Ptr operator->() const { return &_node->_val; }ListIterator& operator++() {_node = _node->_next;return *this;}ListIterator& operator--() {_node = _node->_prev;return *this;}bool operator!=(const ListIterator& other) const { return _node != other._node; }private:Node* _node;};// 反向迭代器template<class Iterator>class ReverseListIterator {Iterator _it;public:ReverseListIterator(Iterator it) : _it(it) {}auto operator*() { Iterator temp = _it; --temp; return *temp; }auto operator->() { return &(operator*()); }ReverseListIterator& operator++() { --_it; return *this; }ReverseListIterator operator++(int) { ReverseListIterator temp = *this; --_it; return temp; }ReverseListIterator& operator--() { ++_it; return *this; }ReverseListIterator operator--(int) { ReverseListIterator temp = *this; ++_it; return temp; }bool operator==(const ReverseListIterator& other) const { return _it == other._it; }bool operator!=(const ReverseListIterator& other) const { return !(*this == other); }};// list 容器实现template<class T>class list {typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;public:list() { CreateHead(); }list(size_t n, const T& val = T()) {CreateHead();for (size_t i = 0; i < n; ++i)push_back(val);}~list() {clear();delete _head;}iterator begin() { return iterator(_head->_next); }iterator end() { return iterator(_head); }void push_back(const T& val) { insert(end(), val); }void push_front(const T& val) { insert(begin(), val); }iterator insert(iterator pos, const T& val) {Node* newNode = new Node(val);Node* cur = pos._node;newNode->_next = cur;newNode->_prev = cur->_prev;cur->_prev->_next = newNode;cur->_prev = newNode;return iterator(newNode);}iterator erase(iterator pos) {Node* cur = pos._node;Node* nextNode = cur->_next;cur->_prev->_next = cur->_next;cur->_next->_prev = cur->_prev;delete cur;return iterator(nextNode);}void pop_front() { erase(begin()); }void pop_back() { erase(--end()); }void clear() {Node* cur = _head->_next;while (cur != _head) {Node* next = cur->_next;delete cur;cur = next;}_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}private:void CreateHead() {_head = new Node();_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}Node* _head;};
}

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以上就是关于【C++篇】揭开 C++ STL list 容器的神秘面纱：从底层设计到高效应用的全景解析的内容啦，各位大佬有什么问题欢迎在评论区指正，或者私信我也是可以的啦，您的支持是我创作的最大动力！❤️