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导读
我们刚刚学习了list的一些基本的使用，现在我们来尝试着模拟实现一下。
需要注意的是，我们需要写三个类来进行模拟实现。
1. vector与list的区别
vector与list都是STL中非常重要的序列式容器，由于两个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不 同，其主要不同如下：
| vector | list | |
|---|---|---|
| 底 层 结 构 | 动态顺序表，一段连续空间 | 带头结点的双向循环链表 |
| 随 机 访 问 | 支持随机访问，访问某个元素效率O(1） | 不支持随机访问，访问某个元素 效率O(N) |
| 插 入 和 删 除 | 任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间复杂 度为O(N)，插入时有可能需要增容，增容：开辟新空 间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低 | 任意位置插入和删除效率高，不 需要搬移元素，时间复杂度为 O(1） |
| 空 间 利 用 率 | 底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利用率 高，缓存利用率高 | 底层节点动态开辟，小节点容易 造成内存碎片，空间利用率低， 缓存利用率低 |
| 迭 代 器 | 原生态指针 | 对原生态指针(节点指针)进行封装 |
| 迭 代 器 失 效 | 在插入元素时，要给所有的迭代器重新赋值，因为插入 元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，删 除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效 | 插入元素不会导致迭代器失效， 删除元素时，只会导致当前迭代 器失效，其他迭代器不受影响 |
| 使 用 场 景 | 需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率 | 大量插入和删除操作，不关心随 机访问 |
2. 模拟实现
2.1 三个基本类
真正实现list，我们需要完成三个类：
- 节点类
- 迭代器类
- list功能类
为什么要写三个类？
我们在上面与vector的对比中了解到，list的空间不是连续的，节点类是好理解的，因为每个节点都有前驱指针、后驱指针以及数据，设定节点类更方便我们进行管理。也正是因为list每个节点空间并不是连续的，所以它的迭代器并不像vector或是string那样可以直接使用，而是需要我们自己来实现它，以便于让它++或是--能访问到下一个节点。
2.2 节点类实现
在节点类中，有三个成员变量：
_prev：指向前一个节点的指针。_next：指向后一个节点的指针。_data：节点的数据。
节点类有一个默认构造函数，默认参数为T()，其中T是模板类型。构造函数初始化了成员变量，将_prev和_next指针置为nullptr，_data置为给定的值（默认为类型T的默认值）。
当
T被具体化为int时，ListNode<int>*就是指向ListNode<int>类型对象的指针，类似于int*是指向int类型对象的指针。
//节点类实现 template<class T> struct ListNode { ListNode<T>* _prev;//C++中可省略了struct ListNode<T>* _next; T _data; //构造函数 ListNode(const T& x = T()) :_next(nullptr) ,_prev(nullptr) ,_data(x) {} };2.3 迭代器类实现
2.3.1基础实现及构造函数
代码中定义了三个模板参数：
T表示节点中存储的数据类型，Ref表示引用类型，Ptr表示指针类型。Node* _node是指向当前节点的指针。
ListIterator(Node* node)是构造函数，用于初始化迭代器对象。它接受一个参数node，表示要遍历的节点。//迭代器类实现 template<class T, class Ref, class Ptr> struct ListIterator { typedef ListNode<T> Node; typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self; Node* _node; ListIterator(Node* node) :_node(node) {} }通过使用模板参数，可以实现在不同类型的节点上使用相同的迭代器类。例如，可以用
ListIterator<int, int&, int*>来遍历存储int类型数据的链表，或者用ListIterator<string, string&, string*>来遍历存储string类型数据的链表。
2.3.2 operator*
//*it（调用的是函数，返回节点中的值） //T& operator*() Ref operator*() { return _node->_data; }2.3.3 operator->
这个重载是服务于自定义类型的，比如Date类，如果需要访问Date类中的元素则需
list<Date>::iterator it; it->Date->data; //it-> 自定义类型需要 //T* operator->() //list<Date>::iterator it; it->Date->data; Ptr operator->() { return &_node->_data; }2.3.4 operator前置++和后置++
//++it 迭代器++本质就是指针往后移，加完后还应是个迭代器 Self& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } //it++ Self operator++(int)//加参数方便区分前置++和后置++ { Self tmp(*this);//拷贝构造，记录当前节点 _node = _node->_next; return tmp;//因为是先使用再++，所以返回原先节点方便使用 }2.3 5 operator前置--和后置--
//--it Self& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; } //it-- Self operator--(int) { Self tmp(*this); _node = _node->_prev; return tmp; }2.3.6 operator!=和operator==
//it != end() bool operator!=(const Self& it) { return _node != it._node; } bool operator==(const Self& it) { return _node == it._node; }2.4 list功能类实现
2.4.1 基础实现
template<class T> class list { typedef ListNode<T> Node; public: typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator; typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator; private: Node* _head;//头节点 size_t _size; };2.4.2 构造函数
对哨兵位的头结点_head进行初始化
void empty_init() { _head = new Node; _head->_next = _head; _head->_prev = _head; _size = 0; } //构造函数 list() { empty_init(); }2.4.3 begin()和end()
begin的作用是返回第一个位置的结点的迭代器，而第一个结点就是哨兵位头结点的下一个结点。
end的作用就是返回最后一个有效数据的下一个位置的迭代器，而这里对于list指的就是头结点_head的位置。
iterator begin() { return _head->_next; } iterator end() { return _head; } const_iterator begin() const { return _head->_next; } const_iterator end() const { return _head; }2.4.4 拷贝构造函数
// lt2(lt1)拷贝构造 list(const list<T>& lt) { empty_init(); //遍历lt1，把lt1的元素push_back到lt2里头 for (auto& e : lt) { push_back(e); } }2.4.5 赋值运算符重载
void swap(list<T>& lt) { std::swap(_head, lt._head); std::swap(_size, lt._size); } //lt1 = lt2 list<T>& operator=(list<T> lt) { swap(lt); return *this; }2.4.6 insert（）
- 获取要插入位置的迭代器
pos所指向的节点cur。 - 创建一个新的节点
newnode，并将其数据值初始化为传入的参数val。 - 获取当前节点
cur的前一个节点prev。 - 将新节点
newnode插入到当前位置：- 将前一个节点的下一个节点指针
_next指向新节点newnode。 - 将新节点的前一个节点指针
_prev指向前一个节点。 - 将新节点的下一个节点指针
_next指向当前节点cur。 - 将当前节点的前一个节点指针
_prev指向新节点newnode。
- 将前一个节点的下一个节点指针
- 增加链表的大小
_size。
void insert(iterator pos, const T& val) { Node* cur = pos._node; Node* newnode = new Node(val); Node* prev = cur->_prev; prev->_next = newnode; newnode->_prev = prev; newnode->_next = cur; cur->_prev = newnode; _size++; }2.4.7 push_back（）
法一：
- 创建一个新的节点
newnode，并将其数据值初始化为传入的参数x。- 获取链表的尾节点
tail，即链表头节点的前一个节点。- 将新节点
newnode插入到链表尾部：
- 将尾节点的下一个节点指针
_next指向新节点newnode。- 将新节点的前一个节点指针
_prev指向尾节点。- 将新节点的下一个节点指针
_next指向链表头节点。- 将链表头节点的前一个节点指针
_prev指向新节点newnode。void push_back(const T& x) { Node* newnode = new Node(x); Node* tail = _head->_prev; tail->_next = newnode; newnode->_prev = tail; newnode->_next = _head; _head->_prev = newnode; }
法二：
直接调用insert（）函数
void push_back(const T& x) { insert(end(), x); }
2.4.8 push_front（）
void push_front(const T& x) { insert(begin(), x); }2.4.9 erase（）
- 首先判断传入的迭代器
pos是否指向链表的末尾，如果是，则抛出异常。 - 获取要删除位置的迭代器
pos所指向的节点cur。 - 获取当前节点
cur的前一个节点prev和后一个节点next。 - 将前一个节点的下一个节点指针
_next指向后一个节点。 - 将后一个节点的前一个节点指针
_prev指向前一个节点。 - 删除当前节点
cur。 - 减少链表的大小
_size。 - 返回一个指向下一个节点的迭代器。
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 iterator(next); }2.4.10 pop_back（）
直接复用erase函数
void pop_back() { erase(--end()); }2.4.11 pop_front（）
void pop_front() { erase(begin()); }2.4.12 clear（）
复用erase函数，遍历每个节点。
void clear() { iterator it = begin(); while (it != end()) { it = erase(it); } }2.4.13 析构函数
调用clear函数，并释放哨兵节点。
//析构函数 ~list() { clear(); delete _head; _head = nullptr; }2.4.14 size（）
size_t size() const { return _size; }2.4.15 empty（）
判断size是否等于0。
bool empty() { return size == 0; }3. 代码整理
3.1 list.h
#pragma once #include <iostream> using namespace std; #include <assert.h> namespace mylist { //节点类实现 template<class T> struct ListNode { ListNode<T>* _prev;//C++中可省略了struct ListNode<T>* _next; T _data; //构造函数 ListNode(const T& x = T()) :_next(nullptr) ,_prev(nullptr) ,_data(x) {} }; //迭代器类实现 template<class T, class Ref, class Ptr> struct ListIterator { typedef ListNode<T> Node; typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self; Node* _node; ListIterator(Node* node) :_node(node) {} //*it（调用的是函数，返回节点中的值） //T& operator*() Ref operator*() { return _node->_data; } //it-> 自定义类型需要 //T* operator->() //list<Date>::iterator it; it->Date->data; Ptr operator->() { return &_node->_data; } //++it 迭代器++本质就是指针往后移，加完后还应是个迭代器 Self& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } //it++ Self operator++(int)//加参数方便区分前置++和后置++ { Self tmp(*this);//拷贝构造，记录当前节点 _node = _node->_next; return tmp;//因为是先使用再++，所以返回原先节点方便使用 } //--it Self& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; } //it-- Self operator--(int) { Self tmp(*this); _node = _node->_prev; return tmp; } //it != end() bool operator!=(const Self& it) { return _node != it._node; } bool operator==(const Self& it) { return _node == it._node; } }; //链表类 template<class T> class list { typedef ListNode<T> Node; public: typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator; typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator; iterator begin() { return _head->_next; } iterator end() { return _head; } const_iterator begin() const { return _head->_next; } const_iterator end() const { return _head; } void empty_init() { _head = new Node; _head->_next = _head; _head->_prev = _head; _size = 0; } //构造函数 list() { empty_init(); } // lt2(lt1)拷贝构造 list(const list<T>& 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); } //lt1 = lt2 list<T>& operator=(list<T> lt) { swap(lt); return *this; } //析构函数 ~list() { clear(); delete _head; _head = nullptr; } void clear() { iterator it = begin(); while (it != end()) { it = erase(it); } } /*void push_back(const T& x) { Node* newnode = new Node(x); Node* tail = _head->_prev; tail->_next = newnode; newnode->_prev = tail; newnode->_next = _head; _head->_prev = newnode; }*/ void push_back(const T& x) { insert(end(), x); } void push_front(const T& x) { insert(begin(), x); } void insert(iterator pos, const T& val) { Node* cur = pos._node; Node* newnode = new Node(val); Node* prev = cur->_prev; prev->_next = newnode; newnode->_prev = prev; newnode->_next = cur; cur->_prev = newnode; _size++; } void pop_back() { erase(--end()); } void pop_front() { erase(begin()); } 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 iterator(next); } size_t size() const { return _size; } bool empty() { return size == 0; } private: Node* _head;//头节点 size_t _size; }; void test1() { list<int> lt; lt.push_back(1); lt.push_back(2); lt.push_back(3); lt.push_back(4); cout << "尾插" << endl; list<int>::iterator it = lt.begin(); while (it != lt.end()) { cout << *it << " "; ++it; } cout << endl; lt.push_front(10); lt.push_front(20); lt.push_front(30); cout << "头插" << endl; for (auto e : lt) { cout << e << " "; } cout << endl; lt.pop_back(); lt.pop_back(); lt.pop_front(); lt.pop_front(); cout << "头删尾删" << endl; for (auto e : lt) { cout << e << " "; } cout << endl; } struct Date { int _year = 0; int _month = 1; int _day = 1; }; void test2() { Date* p2 = new Date; *p2;//取到的是Date p2->_year;//取到的是Date类中的成员变量 list<Date>lt; lt.push_back(Date()); lt.push_back(Date()); //list存了个日期类(自定义类型)的类型 list<Date>::iterator it = lt.begin(); while (it != lt.end()) { //cout << *it << " "; cout << it->_year << "-" << it->_month << "-" << it->_day << endl; ++it; } cout << endl; } }3.2 test.cpp
#include "list.h" int main() { //mylist::test1(); mylist::test2(); return 0; }