C++ list的模拟实现

一 定义节点类

  list相当于带头节点的双向链表，我们定义节点时要用类模板参数，同时定义_next、_prev指针和数据_data，使用struct定义节点类，因为节点类要能够被访问，而struct的默认访问权限就是public（当然手动更改权限为public也可），构造函数缺省值要使用匿名对象，保证无论是自定义类型还是内置类型都能够构造成功。
 

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

二 list的基本框架

  list是带头节点的双向链表，所以成员变量我们只需要定义一个头结点_head，但是链表的长度我们无法像vector一样通过指针的加减法进行求取，因此我们加入一个size变量进行对链表长度的求取。

  默认构造函数则就是让头节点指向自己，但是list不只有一个构造函数，所以我们讲头节点指向自己这一部分单独封装为一个函数，从而让更多构造函数使用。

 代码实现如下：
 

	template<class T>class list {typedef list_node<T> Node;public:list() {empty_init();}void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}private:Node* _head;size_t _size;};

三 list的迭代器

  vector和string的底层物理空间是连续的，我们可以通过指针的++或–来移动找到对应的元素，然而list的底层物理空间是不连续的，所以模拟实现list迭代器时，如果使用++或 --操作，++或 --的只是一个指针，并不能找到对应的位置。因此我们可以封装一个list迭代器类，实际上就是对结点指针进行封装，将各种运算符进行重载，使得在list类中能够像vector和string一样能够直接使用迭代器，而不用关心底层实现。 

  但注意，我们的迭代器分为const迭代器和非const迭代器，莫非我们需要写两个迭代器吗？我们都知道两个迭代器的区别：

  const_iterator不允许您更改它们指向的值，常规iterator可以。

显然，两个迭代器只有在外部进行修改的时候有所不同，在内部实现并没有什么差别，因此我们可以复用一个模板，但需要三个模板参数，在list内部我们传入T ,T* ,T& 或者是 T ，const T*， const T&，这样就可以保持两个迭代器的区别，并且可以复用同一段代码。

3.1 普通迭代器的实现 

 代码在list内部如下定义：
 

	template<class T>class list {typedef list_node<T> Node;public: //区分两个迭代器typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;list() {empty_init();}void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}private:Node* _head;};

迭代器代码：
 

// 三个模板参数// T T& T*// T cosnt T& const T*template<class T, class Ref, class Ptr>struct __list_iterator{typedef list_node<T> Node;typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;Node* _node;//用一个节点创造iterator__list_iterator(Node* node):_node(node){}self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}self operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node;}};

当我们实现上述代码之后我们就可以在list类中实现begin和end函数：

	iterator begin(){//也可以写成这样的形式// return _head->next 通过返回值自动构造return iterator(_head->_next);}iterator end(){return iterator(_head);}

3.2 const迭代器的实现

  

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;//将begin和end函数补全const_iterator begin() const{//返回的是const迭代器类型，避免在外部修改数据return const_iterator(_head->_next);}const_iterator end() const{return const_iterator(_head);}

四 list的常用接口模拟实现

链表中只要实现了insert和erase，头插头删和尾插尾删都可以实现，所以我们先实现insert和erase函数。

4.1 insert函数

  在pos位置之前插入一个新结点。

  借用双链表的思想实现即可。

ps:传入的值为返回值方便复用其它函数。

//在pos位置之前插入一个新结点
iterator 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;//返回当前节点位置return iterator(newnode);
}

4.2 push_back()

尾插

直接复用insert即可

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

4.3 push_front()

头插

直接复用insert 

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

4.4 erase() 函数

删除pos位置的结点。

iterator erase(iterator pos) {//头节点不能删除assert(pos != _head);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;delete cur;prev->_next = next;next->_prev = prev;--_size;return iterator(next);
}

注意迭代器失效问题，这里需要返回值。

4.5 pop_back()

  尾删

	void pop_back(){//注意这里定义的end节点位置erase(--end());}

4.6 pop_front()

  头删

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

五 容量接口

5.1 size函数

  返回节点个数。

直接返回size大小即可。

size_t size() const {return _size;
}

5.2 clear函数

清空list

复用erase即可

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

六 函数补全

 6.1 构造函数

//拷贝构造
list(const list<T>& lt) {empty_init();for (auto e : it) {push_back(e);}
}void swap(list<T>& lt) {std::swap(lt._head, _head);std::swap(lt._size, _size);}//移动构造
list(list<T>&& lt) {swap(lt);
}//迭代器区间构造函数
template<class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{empty_init();while (first != last){push_back(*first);++first;}
}

6.2 赋值重载

	//赋值重载 list<T>& operator()(const list<T>& lt) {list<T> tmp(lt);swap(tmp);return *this;}//移动赋值list<T>& operator()(list<T>&& lt) {swap(it);return *this;}

6.3 析构函数

复用clear函数，记得delete head节点，并且置空。

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

七 完整代码+ 测试代码

#pragma once
#include<iostream>
#include<cassert>
#include<vector>
#include<set>
using namespace std;namespace My {template<class T>struct list_node{T _data;list_node<T>* _next;list_node<T>* _prev;list_node(const T& x = T()):_data(x), _next(nullptr), _prev(nullptr){}};// 三个模板参数// T T& T*// T cosnt T& const T*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){}self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}self operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}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;//将begin和end函数补全const_iterator begin() const{return const_iterator(_head->_next);}const_iterator end() const{return const_iterator(_head);}iterator begin(){//也可以写成这样的形式// return _head->next 通过返回值自动构造return iterator(_head->_next);}iterator end(){return iterator(_head);}//默认构造list() {empty_init();}//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(lt._head, _head);std::swap(lt._size, _size);}//移动构造list(list<T>&& lt) {swap(lt);}//迭代器区间构造函数template<class Iterator>list(Iterator first, Iterator last){empty_init();while (first != last){push_back(*first);++first;}}//赋值重载 list<T>& operator=(const list<T>& lt) {list<T> tmp(lt);swap(tmp);return *this;}//移动赋值list<T>& operator=(list<T>&& lt) {swap(lt);return *this;}void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}//在pos位置之前插入一个新结点iterator 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;//返回当前节点位置return iterator(newnode);}void push_back(const T& x){insert(end(), x);}//头插void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}iterator erase(iterator pos) {//头节点不能删除assert(pos != _head);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;delete cur;prev->_next = next;next->_prev = prev;--_size;return iterator(next);}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}void pop_back(){//注意这里定义的end节点位置erase(--end());}void pop_front(){erase(begin());}void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}size_t size() const {return _size;}private:Node* _head;size_t _size;};void test_list1(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);// 封装屏蔽底层差异和实现细节// 提供统一的访问修改遍历方式list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){*it += 20;cout << *it << " ";++it;}cout << endl;for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;}void test_list2(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);list<int> lt1(lt);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;list<int> lt2;lt2.push_back(10);lt2.push_back(200);lt2.push_back(30);lt2.push_back(40);lt2.push_back(50);lt1 = lt2;for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;for (auto e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;for (auto e : lt1){e++;cout << e << " ";}cout << endl;for (auto e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;}struct AA{AA(int a1 = 0, int a2 = 0):_a1(a1), _a2(a2){}int _a1;int _a2;};void test_list3(){list<AA> lt;lt.push_back(AA(1, 1));lt.push_back(AA(2, 2));lt.push_back(AA(3, 3));list<AA>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;cout << it.operator->()->_a1 << " " << it.operator->()->_a1 << endl;++it;}cout << endl;}template<typename Container>void print_container(const Container& con){typename Container::const_iterator it = con.begin();while (it != con.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}void test_list4(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);//print_list(lt);print_container(lt);list<string> lt1;lt1.push_back("1111111111111");lt1.push_back("1111111111111");lt1.push_back("1111111111111");lt1.push_back("1111111111111");lt1.push_back("1111111111111");//print_list(lt1);print_container(lt1);vector<string> v;v.push_back("222222222222222222222");v.push_back("222222222222222222222");v.push_back("222222222222222222222");v.push_back("222222222222222222222");//print_list(v);print_container(v);}}

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