和我一起学C++之list<一>

list（链表）是一种非常重要的数据结构，在实际应用中到处可见，所以在笔试面试中都是考察的大热门。与vector类似，list也是线性结构，但不同的是list中的内存分布并不是连续的。

同时std::list作为C++中的一种容器（container），相信用过的朋友不在少数，但是真正读过源码了解底层实现的可能并不多。原因大致有二，首先list作为一种工具，会用就行，你也大抵没见过使用电视的人需要会造电视吧；其次，标准库中相应的模板的知识，增加了对list这种数据结构理解的难度。知乎上曾有这样的一个问题：c/c++语言应该在linux系统下面学习吗？我觉得不是的，我们要抓住事情的关键部分，这里的关键就是c/c++语言本身。在windows系统，你可以在”宇宙第一IDE”vs下安安心心的学C/C++语言，但是在linux下面呢，你得先学会linux的基本命令、makefile和系统相关知识等等。诚然，在linux下学习会对编译、链接过程更加了解，但学习曲线的陡然上升是不符合我们的预期的。

基于上面的想法，我们只需要研究包含了简单类型如int类型的std::list<int>即可，当然为了不与标准库冲突，我们的代码全在namespace yang中编写，也就是yang::list大致相当于std::list<int>的功能。（用自己名字，让我厚颜无耻一次吧，哈哈）

1、list的构成

list可以看作是由一系列的node来构成，其结构示意图如下：

而每一个node的组成如下:
这里prev指针指向上一个node节点，next指针指向下一个node节点

所以很自然我们的list_node应该如下：

struct list_node{    list_node* prev{ nullptr };    list_node* next{ nullptr };    int value;};

2、如何操作list中的node

最简单的方式莫过于定义一个list_node* 指针来操作，但是直接用指针的方式首先是不太安全，其次是写起代码来不够优雅美观。所幸，在STL中有一个很好的范本，迭代器iterator。将list_node pointer封装在iterator类中，不但较为安全，并且简洁美观。
list_iterator的实现如下：

struct list_iterator{    list_node* node_;    list_iterator(list_node* node) :node_(node){}// implicit constructor cast    list_iterator(const list_iterator& rhs) :node_(rhs.node_){}    bool operator==(const list_iterator &rhs) const {        return node_ == rhs.node_;    }    bool operator!=(const list_iterator &rhs) const {        return node_ != rhs.node_;    }    int& operator*() const{ return node_->value; }    list_iterator& operator++(){        node_ = node_->next;        return *this;    }    list_iterator operator++(int){        list_iterator tmp = *this;        ++*this;        return tmp;    }    list_iterator& operator--(){        node_ = node_->prev;        return *this;    }    list_iterator operator--(int){        list_iterator tmp = *this;        --*this;        return tmp;    }};

首先list_iterator内部定义了一个list_node* node_的成员变量，用于来操作list中的每一个node。构造和拷贝构造函数都很简单，都只是初始化了node_ 变量,并没有做其他事。重载操作符是实现迭代器的关键，我们来讲解下面五个函数。

2.1、迭代器的比较
首先我们需要比较两个迭代器是否相等或不等，以确定何时可以终止迭代。很简单，判断它们的成员变量node_相等即可。

bool operator==(const list_iterator &rhs) const {    return node_ == rhs.node_;}bool operator!=(const list_iterator &rhs) const {    return node_ != rhs.node_;}

2.2、迭代器的解引用

最重要的是要得到node节点中的值，这个值很容易获得（node_->value）,关键这个函数怎么写，写成普通的成员函数可以么？

int getValue(){return node_->value}

错到是没错，但是未免麻烦。想想我们引入迭代器是用来代替裸指针的，那么在行为上更类似指针的行为就更好理解且美观了，所以我们可以重载* operator

int& operator*() const{ return node_->value; }

为什么返回值是引用呢？留给下文阐述。

2.3、 迭代器的移动

对于某一个节点list_node* node_来说，它的上一个节点可以用node_->prev 表示，它的下一个节点可以用node_->next 表示。所以很自然的，有：

list_iterator& operator++(){    node_ = node_->next;    return *this;}list_iterator& operator--(){    node_ = node_->prev;    return *this;}

对于一个指向某个节点的迭代器list_iterator curr(node_) 来说，--curr和++curr 就分别表示了该node_节点的上一个节点和下一个节点，简洁还明了。

好了，现在说说为什么有的重载操作符需要返回引用了，记得这个问题还在知乎上有个讨论，但我粗略地看过一遍，似乎没有特别有说服力的答案。实际上，很简单，因为左值表达式(lvalue expression)和右值表达式(rvalue expression)的关系。

那么有哪些表达式是左值表达式呢？（以下内容节选自cpp reference,原文为英文，感兴趣的可以自行去查阅）
1、函数或者操作符重载表达式的返回引用类型
2、内置类型的前++和前–表达式
3、*p，the bulit-in indirection expression 内置的解引用表达式

我们知道，C++的设计初衷是让用户定义的类型（class）能像内置类型（int）一样工作，具有同等的地位。

那么对于int a = 5; int *p = &a; 来说，--a,++a,*p 就全部是左值表达式了，所以对于用户自定义类型来说，如果要重载这几个操作符的话，就要保证该操作符重载表达式是左值表达式了。而操作符重载实际上就是一种较为特殊的函数而已，而从上述的第一条可以看到，只要函数返回引用类型，该函数调用表达式就是个左值表达式了。

事实上，所有的操作符重载都是符合这个规律的。

好了，本章到此就结束了，下一章我们就可以讲list本身了。

总结： list作为一种很重要的数据结局，是我们不得不掌握的知识点。本文重点介绍了list中的节点list_node和迭代器list_iterator 和其代码实现，对于迭代器如何操作list中的node有了初步的了解。

参考资料：
STL 源码剖析 侯捷著
数据结构（c++语言版）（第三版）邓俊辉编著
gcc 2.95 version source code