list的模拟实现

一、list的概念引入

1.vector与list的对比

为什么会有list？

补充vector的缺点存在的

vector缺点：

1.头部和中部的插入删除效率低，O（N）因为需要挪动数据。

2.插入数据空间不够需要增容。增容需要开新空间、拷贝数据、会付出很大的代价。

优点：

1、支持下标的随机访问。间接的就很好的支持排序、二分查找、堆算法等等。

list出厂就是为了解决vector的缺陷

优点：

1.list头部、中间插入不再需要挪动数据，效率高。O（1）

2.list插入数据是新增节点，不需要增容

缺点：

不支持随机访问。

2.关于struct和class的使用

C++中的struct和class的唯一区别在于默认访问权限（即你不写public、private这种访问限定符）不同，struct默认为共有（public），而class默认为私有（private），一般情况，成员部分私有，部分公有，就用class，所有成员都开放或共有，就用struct

所以下文写的节点和迭代器类都用struct是因为，struct中的成员函数都默认为公有理，也不用写public了，但是你用class就要写个public

3.list的迭代器失效问题

list本质：带头双向循环链表

支持操作接口的角度分迭代器的类型：单向（forward_list）、双向（list）、随机（vector）

从使用场景的角度分迭代器的类型：（正向迭代器、反向迭代器）+const迭代器

二、list的模拟实现

1.list三个基本函数类

list本质是一个带头双向循环链表：

模拟实现list，要实现下列三个类

1) 模拟实现结点类

2) 模拟实现迭代器的类

3) 模拟实现list主要功能的类

list的类的模拟实现其基本功能（增删等操作）要建立在迭代器类和节点类均已实现好的情况下才得以完成。

2.list的结点类实现

因为list的本质为带头双向循环链表，所以其每个结点都要确保有下列成员：

1.前驱指针

2.后继指针

3.data值存放数据

而结点类的内部只需要实现一个构造函数即可。

template<class T> struct _list_node { 	listnode<T>* _next; 	listnode<T>* _prev; 	T _data;  	listnode(const T& val=T()) 		:_next(nullptr) 		,_prev(nullptr) 		,_data(val) 	{} };

为什么是_list_node<T>？

首先，C++中用struct定义是可不加struct，重点是这里用了一个类模板，类模板的类名不是真正的类型且类模板不支持自动推类型，即_list_node不是真正的类型，定义变量时，_list_node<T>这种才是真正的类型，也就是用类模板定义变量时必须指定对应的类型。

注：结构体模板或类模板在定义时可不加<T>,但使用时必须加<T>。

3.list的迭代器类的实现

因为list其本质就是带头双向循环链表，而链表的物理空间是不连续的，是通过结点的指针顺次链接，我们不能向先前的string和vector一样直接解引用还是结点，结点指针++还是结点指针，而string和vector的物理空间是连续的，所以这俩不需要实现迭代器类，可以直接使用。

为了能让list像vector一样接应用后访问对应节点中的值，++访问到下一个数据，我们需要单独写一个迭代器类的接口实现，在其内部进行封装补齐相应的功能，而这就要借助运算符重载来完成。

注：迭代器封装后是想模拟指针的行为

3.1 基本框架

template<class T,class Ref,class Ptr> struct _list_iterator { 	typedef _list_node<T> Node; 	typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr>Self; 	Node* _node; }; 

1）迭代器类模板为什么要三个参数？

若只有普通迭代器的话，一个class T参数就够了，但因为有const迭代器原因，需要加两个参数，两个参数明Ref（reference:引用）和Ptr（pointer：指针），名字怎么起都行，但这种有意义的名字很推荐的，即这两个参数一个让你传引用，一个让你传指针，具体等到下文讲到const迭代器再说

2）迭代器类到底是什么？

迭代器类就是一个结点的指针变量_node，但是因为我们要运算符重载等一些列操作，不得不把迭代器写成类，完成哪些操作，list的迭代器才能正确的++到下一个位置，解引用访问节点的值。

3）结点指针和迭代器的区别？

当他们都指向同一个结点，那么在物理内存中他们都存的是这个结点地址，物理上是一样的，但是他们的类型不一样，他们的意义就不一样。比如*cur是一个指针的解引用，取到的值是结点；*it是去调用迭代器中“ * ”的运算符重载operator*，返回值是结点中存的值。

类型决定了对空间的解释权

3.2 构造函数

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

3.3 operator*

Ref operator*() { 	return _node->_data; }

1）返回值为什么是Ref？

Ref是模板参数，因为迭代器类的模板参数Ref传入的要么是T&，要么是const T&，就是为了const迭代器和普通迭代器的同时实现，底层就是这么实现的，意义就是一个只读，一个可读可写

注：比如之前讲的vector的迭代器，*it（假设it是迭代器变量）就是拿到对应的值，那么list的迭代器也要同理，解引用迭代器就是为了访问对应位置的值，那么list只要通过迭代器返回对应结点的值就好了。

3.4 operator->

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

1）为什么需要operator->?

本质因为自定义类型需要，那需从list存的类型是个自定义类型说起，以Date类说明。若list存了个自定义类型的Date类，就无法打印，因为我们并没有重载Date类的operator<<,若是内置类型的话才可以正常输出，那写一个operator<<重载吗？不，因为你无法确定要用那些类，也不能每个类都写operator<<，怎么半？我们访问Date类本质是想访问它内置类型（int）的_year,_month,_day吧，那我们不妨写个专属于自定义类型的operator-> (因为内置类型只需要*it就可以直接输出了，但自定义类型不可以直接输出)，利用operator->直接访问类的成员变量，而内置类型可以直接输出

故从根源上解决问题：在迭代器中实现个operator->:

(Ptr是迭代器的模板参数，我们用来作为T*或const T*的)

3.5 operator前置++和后置++和--

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; }

1）迭代器++对于list是什么意思？

迭代器++的意思就是想让其指向下一个节点，--正好相反，为了区分前置和后置++（--），我们会用函数重载，也就是多一个“没用的”参数：int，这个参数没什么用，只是为了区分++和--

3.6 operator==与operator！=

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

两个迭代器怎么比较的？

迭代器中就一个成员变量_node,结点指针，只要比较当前结点指针是否相同即可，这个操作在判断迭代器是否走到头有用。

问题：迭代器的拷贝构造、赋值和析构函数需要我们实现吗？

答：不需要

因为迭代器存的就是一个节点指针，而节点是属于链表list的，那么它的释放应有list来实现，那么迭代器的析构也无需我们自己写了。总而言之，迭代器并不涉及从堆上开空间，使用系统提供的浅拷贝就可以了。

4、list类的实现

在节点类和迭代器类都实现的前提下，就可实现list主要功能：增删等操作的实现

4.1 基本框架

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; private: 	Node* _head; }; 

const_iterator(const迭代器的介绍)

我们知道const_iterator在begin()和end()中的返回值是需要用到的，其主要作用就是当迭代器只读时使用，因为普通迭代器和const迭代器的实现区别仅仅在于成员函数的返回值不同，难道重写一遍吗？不用，我们模板参数多两个就好了，一个是引用class Ref(T&或const T&)，一个是指针class Ptr(T*或const T*)，当Ref时const T&就是const迭代器的调用，这就利用模板实现了两个迭代器的同时实现。

4.2 构造函数

list() { 	_head = new Node; 	_Head->_next = _head; 	_head->_prev = _head; }

我们开辟一个头结点，然后使其处于一个对应的初始状态即可。

4.3 begin()和end()

iterator begin() {	//第一个位置应该是头节点的下一个节点 	return iterator(head->_next);//用匿名对象构造iterator类型的 } iterator end() { 	return iterator(_head); }  const_iterator begin()const { 	return const_iterator(head->next); } const_iterator end()const { 	return const_iterator(_head); }

1）关于匿名构造的理解

比如iterator(_head->next);iterator是一个类模板类型(它被typedef过)，那不应该实例化一个对象再构造吗？这里没有用是因为这里是匿名对象的构造，这里这么用比较方便。

4.4拷贝构造

list(const list<T>& It) { 	_head = new Node; 	_head->_next = _head; 	_head->_prev = _head;  	for (auto e : lt) 	{ 		push_back(e); 	} }

解释：list的拷贝构造跟vector不同，它的拷贝是拷贝一个个节点（因为不连续的物理空间），那么我们可以用迭代器拿到list的一个个节点【上面是传统写法】

现代写法：

template<class Inputerator> list(Inputerator first, Inputerator last) { 	_pHead = new Node(); 	_pHead->next = _pHead; 	_pHead->prev = _pHead; 	while (first != last) 	{ 		push_back(*first); 		first++; 	} } //拷贝构造（现代写法） list(const list<T>& L) { 	_pHead = new Node(); 	_pHead->next = _pHead; 	_pHead->prev = _pHead; 	list<T> tmp(L.begin(), L.end()); 	swap(_pHead, tmp._pHead); }

1）为什么有的拷贝构造需要初始化，operator=不需要？

以string 的模板实现为例

4.5 clear

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

1） it=erase（it）什么意思

防止迭代器失效，因为erase返回的是被删除位置的下一个位置，比如删除pos位置的，pos位置被删除后，这个位置的迭代器就失效了，那就无法通过++找到后面的位置了，所以我们通过erase返回值来更新一下迭代器位置，即更新到被删除位置的下一个位置

4.6 operator=

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

4.7 析构函数

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

4.8 insert

iterator insert(iterator pos, const T& x) { 	Node* newnode = new Node(x); 	//找到pos位置的指针和pos之前的指针 	Node* cur = pos._node; 	Node* prev = cur->_prev;  	//prev newnode cur 	prev->_next = newnode; 	newnode->_prev = prev; 	newnode->_next = cur; 	cur->_prev = newnode;  	//返回新插入元素的迭代器位置 	return iterator(newnode); }

1）返回参数为什么是iterator？

本质是为了防止迭代器失效问题

注：insert指的是插入到指定位置的前面

4.9 push_back和push_front

void push_back(const T& x) { 	Node* tail = head->prev; 	Node* newnode = new Node(x);  	tail->_next = newnode; 	newnode->_prev = tail; 	newnode->_next = _head; 	_head->_prev = newnode; }

4.10 erase

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;  		return iterator(next); 	} }

返回值问题

erase的返回值，返回的是被删除位置的下一个位置，库里面这么规定，本质是因为删除元素一定会导致此位置的迭代器失效，故返回被删除位置的下一个位置可以更新迭代器

4.11pop_back和pop_front

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

三、源代码

#pragma once #include <iostream> using namespace std;  namespace lf { 	template <class T> 	struct listNode 	{ 		T Data; 		listNode<T>* _next; 		listNode<T>* _prev; 		 		listNode(const T& val = T()) 			:Data(val) 			,_next(nullptr) 			,_prev(nullptr) 		{} 	};  	template <class T,class Ref,class Ptr> 	struct list_Iterator 	{ 		typedef listNode<T> node; 		typedef list_Iterator<T, Ref, Ptr> Self;  		node* _node;  		list_Iterator(node* node) 			:_node(node) 		{}  		Ref operator*() 		{ 			return _node->Data; 		} 		Ptr operator->() 		{ 			return &_node->Data; 		} 		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> 	class list 	{ 		typedef listNode<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); 		} 		iterator end() 		{ 			return iterator(_head); 		} 		const_iterator begin() const 		{ 			return const_iterator(_head->_next); 		} 		const_iterator end() const 		{ 			return const_iterator(_head); 		} 		void empty_init() 		{ 			_head = new node; 			_head->_next = _head; 			_head->_prev = _head; 		} 		list() 		{ 			empty_init(); 		} 		list(const list<T>& lt) 		{ 			empty_init(); 			for (auto e : lt) 			{ 				push_back(e); 			} 		} 		~list() 		{ 			clear(); 			delete _head; 			_head = nullptr; 		} 		 		list<T>& operator=(list<T> lt) 		{ 			swap(_head, lt._head);  			return *this; 		} 		void clear() 		{ 			iterator it = begin(); 			while (it != end()) 			{ 				it = erase(it); 			} 		} 		// prev head next     2 head 1 		iterator erase(iterator pos) 		{ 			node* cur = pos._node; 			node* prev = cur->_prev; 			node* next = cur->_next;  			prev->_next = next; 			next->_prev = prev; 			delete cur; 			cur = nullptr; 			return iterator(next); 		} 		// 1 2 newnode head 		void insert(iterator pos,const T& val) 		{ 			node* newnode = new node(val); 			node* cur = pos._node; 			node* prev = cur->_prev;  			newnode->_next = cur; 			cur->_prev = newnode; 			prev->_next = newnode; 			newnode->_prev = prev; 		} 		void push_back(T val) 		{ 			insert(end(), val); 		} 		void pop_back() 		{ 			erase(--end()); 		} 	private: 		node* _head; 	};  	void test_list1() 	{ 		list<int> lt1; 		list<int>::iterator it = lt1.begin(); 		lt1.insert(it, 1); 		lt1.push_back(2); 		lt1.push_back(3); 		//lt1.pop_back(); 		list<int>::iterator it1 = lt1.end(); 		//lt1.erase(--it1); 		/*for (auto _begin = lt1.begin(), _end = lt1.end(); _begin != _end; ++_begin) 		{ 			cout << *_begin << " "; 		}*/ 		lt1.clear(); 		for (auto e : lt1) 		{ 			cout << e << " "; 		} 		//cout << *it << endl;  	} 	void test_list2() 	{ 		list<int> lt; 		lt.push_back(1); 		lt.push_back(2); 		lt.push_back(3); 		list<int> lt1(lt); 		lt.push_back(4); 		lt.push_back(5); 		lt.push_back(6); 		lt.push_back(7); 		 		lt1 = lt; 		lt.operator=(lt1); 		for (auto e : lt) 		{ 			cout << e << " "; 		} 		cout << endl; 		for (auto e : lt1) 		{ 			cout << e << " "; 		} 		cout << endl; 	} };