list模拟实现

上一篇讲解了list的使用，这一篇接着介绍list的模拟实现，这里依然是讲解常用接口的模拟实现，话不多说，正文开始！

1. 成员变量和节点

list类中的成员变量就是一个哨兵位的头结点，后续在上进行链接操作，而节点的实现需要一个节点类来进行封装

private:node* _head; //哨兵位头结点

template<class T>
struct list_node
{list_node<T>* _next; //指向前一个节点list_node<T>* _prev; //指向后一个节点T _data; //节点内数据list_node(const T& x = T()):_next(nullptr), _prev(nullptr), _data(x){}
};

2. 迭代器

迭代器要么就是原生指针，要么就是自定义类型对原生指针的封装，模拟指针的行为

显然list中的迭代器是第二种，list的迭代器也是被封装成了一个类，类中的成员为节点类指针，指向单个节点

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_list_iterator(node* n) //begin()和end()中需要构造来返回节点指针:_node(n){}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}//前置++self& operator++() {_node = _node->_next;return *this;}//后置++self operator++(int) //局部变量tmp出了作用域会销毁，不能使用引用返回{self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}//前置--self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//后置--self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->prev;return tmp;}bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node;}
};

注意

• list双向链表是链式结构，迭代器需要自定义类型对原生指针的封装，模拟指针的行为
• begin()和end()中需要构造来拿到节点的指针，所以需要提供构造函数
• class Ref和class Ptr模板的提供是为了T* 和 const T*不用复用代码来直接传参
• typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self这里的self是其类型别名，*this指针就是self类型，包含了_node成员变量，_node 是迭代器中的节点指针，包含在迭代器对象中

2.1 移动原理

list的空间不是连续的，使用的是双向迭代器，只支持++、–来实现前后节点间的移动，不支持随机移动

那么是如何实现不连续空间之间的移动的呢？

首先构造迭代器对象，当使用++操作时，会去调用迭代器类中实现的operator++()重载方法，核心操作就是将迭代器指向当前节点的下一个节点，即_node = _node -> next，使用--操作原理也是如此

//前置++
self& operator++() 
{_node = _node->_next;return *this;
}
//后置++
self operator++(int) //局部变量tmp出了作用域会销毁，不能使用引用返回
{self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;
}
//前置--
self& operator--()
{_node = _node->_prev;return *this;
}
//后置--
self operator--(int)
{self tmp(*this);_node = _node->prev;return tmp;
}

2.2 多参数模板

迭代器分为普通迭代器和const迭代器，不同的对象需要调用不同的迭代器类型，这里使用多模板参数很好的解决了两种迭代器在实现时的冗余问题

• T：普通节点类型
• Ref：引用节点类型(可以是const)
• Ptr：指针节点类型(可以是const)

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//...
};

用不同的迭代器类型时，迭代器类中的模板参数变为对应类型，这就是所谓的泛型思想之一

3. 默认成员函数

3.1 构造和析构

构造函数需要创建头结点，这里要先提供一个空初始化的方法empty_init()

void empty_init()
{//初始化头结点_head = new node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;
}

默认构造

list()
{empty_init();
}

迭代器区间构造

template<class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{empty_init();while (first != last){push_back(*first);++first;}
}

在创建 list 对象时，多使用迭代器区间进行构造，创建新对象可以直接调用尾插进行创建

析构函数

调用clear()方法释放节点，然后再释放头结点即可

~list()
{clear();delete _head;_head = nullptr;
}

3.2 拷贝和赋值

拷贝构造

void swap(list<T>& tmp)
{std::swap(_head, tmp._head);
}list(const list<T>& lt)
{empty_init();list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());swap(tmp);
}

拷贝构造必须使用引用传参，否则会导致无穷递归问题

赋值重载

list<T>& operator=(list<T> lt)
{swap(lt);return *this;
}

4. 容量操作

4.1 empty方法

判空只需要判断当前 begin() 与 end() 的位置是否相同即可

bool empty() const
{ return begin() == end(); 
}

4.2 size方法

统计大小只需要将list遍历一遍，统计节点个数即可

size_t size() const
{size_t cnt = 0;const_iterator it = begin();while (it != end()){++cnt;++it;}return cnt;
}

5. 数据访问

访问首尾数据只需要通过对应指针来返回对应值即可

T& front()
{return begin()._node->_data;
}const T& front() const
{return begin()._node->_data;
}T& back()
{return end()._node->_data;
}const T& back() const
{return end()._node->_data;
}

6. 数据修改

6.1 insert方法

操作步骤：

• 在pos位置前进行插入
• 记录当前pos位置的节点和pos位置的上一个节点
• 建立预插入节点和两位置的链接关系

void insert(iterator pos, const T& x)
{node* cur = pos._node; //pos位置节点node* prev = cur->_prev; //pos位置上一个节点node* new_node = new node(x);//建立链接关系prev->_next = new_node;new_node->_prev = prev;new_node->_next = cur;cur->_prev = new_node;
}

6.2 erase方法

操作步骤：

• 首先判断list是否为空
• 记录当前节点的上一个节点和下一个节点的位置
• 将记录的两个节点建立链接关系，
• 最后删除当前节点，返回已删除节点下一个节点

iterator erase(iterator pos)
{assert(pos != end());node* prev = pos._node->_prev; //pos位置上一个节点node* next = pos._node->_next; //pos位置下一个节点prev->_next = next;next->_prev = prev;delete pos._node;return iterator(next); //返回位置防止迭代器失效
}

注意：list的删除操作会存在迭代器失效的问题，这里记录返回节点的位置来解决此问题

6.3 头尾插入删除

这里头尾的插入删除操作可以直接复用insert()和erase()

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());
}

6.4 swap方法

list中的交换方法是直接交换两个对象的哨兵位头结点，效率很高

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

6.5 clear方法

遍历链表删除除了头结点外的所有节点

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

7. 完整代码

#pragma once
#include <iostream>
#include<list>
#include <cassert>
using namespace std;namespace sakura
{template<class T>struct list_node{list_node<T>* _next;list_node<T>* _prev;T _data;list_node(const T& x = T()):_next(nullptr), _prev(nullptr), _data(x){}};//迭代器要么就是原生指针//迭代器要么就是自定义类型对原生指针的封装，模拟指针的行为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_list_iterator(node* n) //begin()和end()中需要构造来返回节点指针:_node(n){}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}//前置++self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//后置++self operator++(int) //局部变量tmp出了作用域会销毁，不能使用引用返回{self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}//前置--self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//后置--self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->prev;return tmp;}bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const self& s){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 iterator(_head->_next);}const_iterator begin() const{return const_iterator(_head->_next);}iterator end(){return iterator(_head);}const_iterator end() const{return const_iterator(_head);}void empty_init(){//初始化头结点_head = new node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list(){empty_init();}template<class Iterator>list(Iterator first, Iterator last){empty_init();while (first != last){push_back(*first);++first;}}void swap(list<T>& tmp){std::swap(_head, tmp._head);}list(const list<T>& lt){empty_init();list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());swap(tmp);}list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){//it = erase(it);erase(it++);}}T& front(){return begin()._node->_data;}const T& front() const{return begin()._node->_data;}T& back(){return end()._node->_data;}const T& back() const{return end()._node->_data;}bool empty() const{ return begin() == end(); }size_t size() const{size_t cnt = 0;const_iterator it = begin();while (it != end()){++cnt;++it;}return cnt;}void push_back(const T& x){//node* tail = _head->_prev;//node* new_node = new node(x);//tail->_next = new_node;//new_node->_prev = tail;//new_node->_next = _head;//_head->_prev = new_node;insert(end(), x);}void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}void pop_back(){erase(--end());}void pop_front(){erase(begin());}void insert(iterator pos, const T& x){node* cur = pos._node; //pos位置节点node* prev = cur->_prev; //pos位置上一个节点node* new_node = new node(x);//建立链接关系prev->_next = new_node;new_node->_prev = prev;new_node->_next = cur;cur->_prev = new_node;}iterator erase(iterator pos){assert(pos != end());node* prev = pos._node->_prev; //pos位置上一个节点node* next = pos._node->_next; //pos位置下一个节点prev->_next = next;next->_prev = prev;delete pos._node;return iterator(next); //返回位置防止迭代器失效}private:node* _head;};void print_list(const list<int>& lt){list<int>::const_iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}
}

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C++【STL】之list模拟实现，到这里就介绍结束了，本篇文章对你由帮助的话，期待大佬们的三连，你们的支持是我最大的动力！

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