C++ -- STL-- List

1.2.6 list的迭代器失效

前面说过，此处大家可将迭代器暂时理解成类似于指针，迭代器失效即迭代器所指向的节点的无效，即该节点被删除了。因为list的底层结构为带头结点的双向循环链表，因此在list中进行插入时是不会导致list的迭代器失效的，只有在删除时才会失效，并且失效的只是指向被删除节点的迭代器，其他迭代器不会受到影响。

下面是几个 std::list 迭代器失效的典型例子及分析：

例子 1：删除操作导致迭代器失效

#include <iostream>
#include <list>

int main() {
    std::list<int> myList = {1, 2, 3, 4, 5};
    auto it = myList.begin();
    std::advance(it, 2); // 让 it 指向值为 3 的元素

    // 错误做法：删除元素后继续使用原迭代器
    myList.erase(it); 
    // 下面这行代码会导致未定义行为，因为 it 已经失效
    // std::cout << *it << std::endl; 

    // 正确做法：使用 erase 的返回值更新迭代器
    auto itCorrect = myList.begin();
    std::advance(itCorrect, 2); 
    itCorrect = myList.erase(itCorrect);
    if (itCorrect != myList.end()) {
        std::cout << "正确处理后下一个元素的值: " << *itCorrect << std::endl;
    }

    return 0;
}

解释：在 std::list 中调用 erase 删除元素时，指向被删除元素的迭代器会失效。正确的做法是使用 erase 函数返回的迭代器（指向下一个有效元素）来更新原来的迭代器。

例子 2：清空容器导致迭代器失效

#include <iostream>
#include <list>

int main() {
    std::list<int> myList = {1, 2, 3};
    auto it = myList.begin();

    myList.clear();
    // 以下操作会导致未定义行为，因为 myList 已经清空，所有迭代器都失效了
    // std::cout << *it << std::endl; 

    return 0;
}

解释：当调用 clear 函数清空 std::list 时，所有指向该容器元素的迭代器都会失效，此时再使用这些迭代器访问元素就会产生未定义行为。

例子 3：交换容器导致迭代器失效（相对原容器）

#include <iostream>
#include <list>

int main() {
    std::list<int> list1 = {1, 2, 3};
    std::list<int> list2 = {4, 5, 6};

    auto it = list1.begin();

    list1.swap(list2);
    // 此时 it 仍然指向原来 list1 中的某个元素，但该元素现在属于 list2 了
    // 以下操作虽然不会崩溃，但不符合预期，因为 it 不再是 list1 的有效迭代器
    // std::cout << *it << std::endl; 

    return 0;
}

解释：调用 swap 函数交换两个 std::list 时，迭代器所指向的元素虽然没有被销毁，但所属的容器发生了变化，对于原容器来说，原来的迭代器就失效了。

通过这些例子可以看出，在对 std::list 进行删除、清空、交换等操作时，需要特别注意迭代器的有效性，以避免出现未定义行为。

void TestListIterator1()
{
 int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
 list<int> l(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
 auto it = l.begin();
 while (it != l.end())
 {
 // erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给其赋值
 l.erase(it); 
 ++it;
 }
}
// 改正
void TestListIterator()
{
 int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
 list<int> l(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
 auto it = l.begin();
 while (it != l.end())
 {
 l.erase(it++); // it = l.erase(it);
 }
}

2. list的模拟实现

2.1 模拟实现list

要模拟实现list，必须要熟悉list的底层结构以及其接口的含义，通过上面的学习，这些内容已基本掌握，现在我们来模拟实现list。

list.h

#include<assert.h>

namespace aramae
{
	template<class T>
	struct list_node
	{
		list_node<T>* _next;
		list_node<T>* _prev;
		T _val;

		list_node(const T& val = T())
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _val(val)
		{
		}
	};


	// typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
	// typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
	
	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->_val;
		}

		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_val;
		}

		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		self operator++(int)
		{
			self tmp(*this);

			_node = _node->_next;

			return tmp;
		}

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

		self operator--(int)
		{
			self tmp(*this);

			_node = _node->_prev;

			return tmp;
		}

		bool operator!=(const self& it) const
		{
			return _node != it._node;
		}

		bool operator==(const self& it) const
		{
			return _node == it._node;
		}
	};

	/*template<class T>
	struct __list_const_iterator
	{
		typedef list_node<T> Node;
		Node* _node;

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

		const T& operator*()
		{
			return _node->_val;
		}

		__list_const_iterator<T>& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		__list_const_iterator<T> operator++(int)
		{
			__list_const_iterator<T> tmp(*this);

			_node = _node->_next;

			return tmp;
		}

		bool operator!=(const __list_const_iterator<T>& it)
		{
			return _node != it._node;
		}

		bool operator==(const __list_const_iterator<T>& it)
		{
			return _node == it._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;

		// 如何设计const迭代器？

		iterator begin()
		{
			//return _head->_next;
			return iterator(_head->_next);
		}

		iterator end()
		{
			return _head;
			//return iterator(_head);
		}

		const_iterator begin() const
		{
			//return _head->_next;
			return const_iterator(_head->_next);
		}

		const_iterator end() const
		{
			return _head;
			//return const_iterator(_head);
		}

		void empty_init()
		{
			_head = new Node;
			_head->_prev = _head;
			_head->_next = _head;

			_size = 0;
		}

		list()
		{
			empty_init();
		}

		// lt2(lt1)
		list(const list<T>& lt)
			//list(const list& lt)
		{
			empty_init();

			for (auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}

		void swap(list<T>& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
			std::swap(_size, lt._size);
		}

		list<T>& operator=(list<T> lt)
			//list& operator=(list lt)
		{
			swap(lt);

			return *this;
		}

		~list()
		{
			clear();

			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}

			_size = 0;
		}

		void push_back(const T& x)
		{
			insert(end(), x);
		}

		void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(), x);
		}

		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}

		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}

		// pos位置之前插入
		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* newnode = new Node(x);

			prev->_next = newnode;
			newnode->_next = cur;

			cur->_prev = newnode;
			newnode->_prev = prev;

			++_size;

			return newnode;
		}

		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());

			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* next = cur->_next;

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

			delete cur;

			--_size;

			return next;
		}

		size_t size()
		{
			/*size_t sz = 0;
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				++sz;
				++it;
			}

			return sz;*/

			return _size;
		}

	private:
		Node* _head;
		size_t _size;
	};

	void Print(const list<int>& lt)
	{
		list<int>::const_iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			// (*it) += 1;
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}

	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) += 1;
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		Print(lt);
	}

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

		int _a1;
		int _a2;
	};

	void test_list2()
	{
		list<A> lt;
		lt.push_back(A(1, 1));
		lt.push_back(A(2, 2));
		lt.push_back(A(3, 3));
		lt.push_back(A(4, 4));

		list<A>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			//cout << (*it)._a1 << " " << (*it)._a2 << endl;
			cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;

			++it;
		}
		cout << endl;
	}

	void test_list3()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);
		lt.push_front(5);
		lt.push_front(6);
		lt.push_front(7);
		lt.push_front(8);
		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		lt.pop_front();
		lt.pop_back();

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		lt.clear();
		lt.push_back(10);
		lt.push_back(20);
		lt.push_back(30);
		lt.push_back(40);
		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		cout << lt.size() << endl;
	}

	void test_list4()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		list<int> lt1(lt);
		for (auto e : lt1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		list<int> lt2;
		lt2.push_back(10);
		lt2.push_back(20);
		lt2.push_back(30);
		lt2.push_back(40);

		for (auto e : lt2)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		lt1 = lt2;

		for (auto e : lt1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}
}
	

template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{
 // 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的类型，而不是静态成员变量
 // 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量
 // 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
public:
 typedef typename Iterator::Ref Ref;
 typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
 typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
public:
 //////////////////////////////////////////////
 // 构造
 ReverseListIterator(Iterator it): _it(it){}
 //////////////////////////////////////////////
 // 具有指针类似行为
 Ref operator*(){
 Iterator temp(_it);
 --temp;
 return *temp;
 }
 Ptr operator->(){ return &(operator*());}
 //////////////////////////////////////////////
 // 迭代器支持移动
 Self& operator++(){
 --_it;
 return *this;
 }
 Self operator++(int){
 Self temp(*this);
 --_it;
 return temp;
 }
 Self& operator--(){
 ++_it;
 return *this;
 }
 Self operator--(int)
 {
 Self temp(*this);
 ++_it;
 return temp;
 }
 //////////////////////////////////////////////
 // 迭代器支持比较
 bool operator!=(const Self& l)const{ return _it != l._it;}
 bool operator==(const Self& l)const{ return _it != l._it;}
 Iterator _it;
};

#include <iostream>
#include <list>
#include <vector>

int main() {
    // list 示例
    std::list<int> myList;
    myList.push_back(1);  // 在尾部插入元素
    myList.push_front(0); // 在头部插入元素
    // 遍历 list
    std::cout << "List elements: ";
    for (const auto& element : myList) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // vector 示例
    std::vector<int> myVector;
    myVector.push_back(10); // 在尾部插入元素
    myVector.push_back(20);
    // 通过下标访问 vector 元素
    std::cout << "Vector element at index 0: " << myVector[0] << std::endl;
    // 遍历 vector
    std::cout << "Vector elements: ";
    for (const auto& element : myVector) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}