【C++】list原理讲解及其实现

目录
一、认识list底层结构
二、list的构造类函数
三、迭代器
四、数据的访问
五、容量相关的函数
六、关于数据的增删查改操作
七、list和vector的比较

前言

要模拟实现list，必须要熟悉list的底层结构以及其接口的含义，在上一篇我们仔细讲解了list的常见接口的使用及其含义，这篇我们就直接进入主题

一、list底层结构

list底层实现的是带头双向循环链表，list底层实现需要三个类，分别是链表的结点类，链表的迭代器类，链表本身

// List的节点类
template<class T>
struct ListNode
{ListNode<T>* _prev;ListNode<T>* _next;T _data;ListNode(const T& data=T()):_prev(nullptr),_next(nullptr),_data(data){}
};

//List的迭代器类
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){}Ref operator*();Ptr operator->();Self& operator++();Self operator++(int);Self& operator--();Self operator--(int);bool operator!=(const Self& l);bool operator==(const Self& l);
};

 //list类
template<class T>
class list
{typedef ListNode<T> Node;Node* _head;//哨兵位的头节点size_t _size;//链表数据个数
public:typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;
}

给大家讲一下这三个类的关联，链表类是主类，链表的结点用一个类封装起来，构造起来更方便，放在主类里面不方便且冗余，由于链表的物理结构不连续，所以不能像vector和string那样单纯的用原生指针来实现，我们可以把结点类再次进行封装，封装成迭代器，让它能很好的指向链表的结点，利用它的结构优势来重载运算符遍历这个链表

二、初始化list的构造函数

1、默认构造
list();

void empty_init()
{_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;
}list()
{empty_init();//这里没有直接写默认构造，而是通过empty_init来实现，因为后面我们要多次用到这个函数来初始化哨兵位的头节点，写在默认构造里面就不方便其他地方的调用了
}

2、用n个val来构造链表
list(size_t n, const T& val = T());

list(size_t n, const T& val = T())
{empty_init();//要记得初始化哨兵位的头节点for (size_t i = 0; i < n; i++){push_back(val);}_size = n;
}

3、迭代器区间构造
template <class InputIterator> list(InputIteratorfirst, InputIterator last);

list(InputIterator first, InputIterator last)
{empty_init();while (first != last){push_back(*first);first++;}
}

特别注意：
如果你写了迭代器区间构造，就一定要重载上面的list(size_t n, const T& val = T())，如果你不重载的话，他会报一个错误 非法间接寻址，博主我深受其害🤡，再重载一个这个函数list(int n, const T& val = T());就可以 其实就是改一个类型的事

为什么要重载一下？

list<int> li(10,1);
你传的参数都是int类型，两个类型是一样的，而迭代器区间构造的类型是一样的，最符合，这就导致你没走你
想走的那个构造函数，你想走的那个函数list(size_t n, const T& val = T())在这个案例中是size_t和int类型，虽然
也可以走这个函数，但是编译器觉得迭代器区间构造更好，所以你得重载一个int，int类型的，这样编译器就会
走你重载的函数了

4、拷贝构造
（用来初始化一个正在创建的对象）
list(const list<T>& li);

list(const list<T>& li)
{empty_init();for (auto& e : li){push_back(e);}_size = li._size;
}

5、赋值构造
（两个已经存在的对象，一个赋值给另一个）
list<T>& operator=(const list<T> li)

void swap(list<T>& li)
{std::swap(_head, li._head);std::swap(_size, li._size);
}
//这里的赋值构造，我用的是现代写法
list<T>& operator=(list<T> li)//这里的参数使用传值传参，会调用拷贝构造，
{swap(li);//直接让*this和临时对象li交换，出了作用域li也就销毁了return *this;
}

6、析构函数
~list();

//clear只需要清除掉里面的数据就行，也就是析构掉除哨兵位以外的结点
void clear()
{iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}_size = 0;
}
~list()
{clear();delete _head;_head = nullptr;
}
三、迭代器

讲到list迭代器这里，我们先把迭代器类完善一下

//这里弄了三个模板参数，好实例化生成iterator和const_iterator,因为他们两个基本上没什么区别，只用区分好解引用后的返回值类型就好
template<class T,class Ref,class Ptr>//Ref表示引用,Ptr表示指针
struct ListIterator
{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T,Ref,Ptr> Self;Node* _node;ListIterator(Node* node):_node(node){}//*itRef operator*(){return _node->_data;}//it->Ptr operator->(){return &_node->_data;}//++iSelf& operator++(){_node = _node->_next;return *this;//返回的变量出了作用域不会被销毁用引用返回更合适}//i++Self operator++(int){Self temp(*this);_node = _node->_next;return temp;//返回的变量出了作用域会被销毁用传值返回更合适}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}Self operator--(int){Self temp(*this);_node = _node->_prev;return temp;}bool operator!=(const Self& s){return _node != s._node;//这里是用迭代器的地址去比较}bool operator==(const Self& s){return _node == s._node;}
};

三个模板参数的主要意图：
在这里插入图片描述

这个类里面的接口，我们重点讲解一下这个Ptr operator->();如下图：
在这里插入图片描述

iterator begin();
iterator end();
const_iterator begin();
const_iterator end();
在这里插入图片描述
begin表示链表的第一个结点，第一个结点应该是哨兵位的下一个结点，哨兵位是不存放任何东西的，单纯作为头结点，end表示最后一个结点的下一个位置，list是一个带头双向循环链表，所以最后一个结点的下一个位置就是_head，迭代器遍历的区间[begin,end) ，左闭右开区间，这样就能遍历到所有结点

template<class T>
class list
{typedef ListNode<T> Node;Node* _head;//哨兵位的头节点size_t _size;//链表数据个数
public:typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;iterator begin(){//return iterator(_head->_next);匿名对象return _head->_next;//单参数的构造函数隐式类型转换}iterator end(){return _head;}const_iterator begin(){return _head->_next;}const_iterator end(){return _head;}
}
四、数据的访问

1、front 访问头结点
T& front();

T& front()
{return _head->_next->_data;
}

const T& front()const;

const T& front() const
{return _head->_next->_data;
}

2、back 访问尾节点
T& back();

T& back()
{return _head->_prev->_data;
}

const T& back()const;

const T& back() const
{return _head->_prev->_data;
}
五、容量相关的函数

size 有效数据个数
size_t size()const;

size_t size() const 
{return _size;
}

empty 判断是否为空
bool empty()const;

bool empty()
{return _size == 0;
}
六、关于数据的增删查改操作

push_back 尾插数据
void push_back(const T& val) ;

void push_back(const T& val)
{Node* newnode = new Node(val);//为插入的数据new一个结点出来Node* tail = _head->_prev;//先保存链表尾部的结点//处理好tail和newnode的指向tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;newnode->_next = _head;_head->_prev = newnode;//将newnode更新成为新的尾节点_size++;
}

pop_back 尾删数据
void pop_back() ;

void pop_back()
{Node* tail = _head->_prev;Node* prev = tail->_prev;delete tail;prev->_next = _head;_head->_prev = prev;_size--;
}

push_front 头插数据
void push_front(const T& val);

void push_front(const T& val)
{Node* newnode = new Node(val);Node* next = _head->_next;//_head newnode nextnewnode->_next = next;next->_prev = newnode;newnode->_prev = _head;_head->_next = newnode;_size++;
}

pop_front 头删数据
pop_front();

void pop_front()
{Node* del = _head->_next;Node* next = del->_next;delete del;_head->_next = next;next->_prev = _head;_size--;
}

insert 在pos位置前插入值为val的节点
iterator insert(iterator pos, const T& val);

void  insert(iterator pos, const T& val)
{Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* newnode = new Node(val);//prev newnode curprev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;_size++;}

erase 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos);

iterator erase(iterator pos)
{Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;delete cur;prev->_next = next;next->_prev = prev;_size--;return next;//这样写会发生隐式类型转换，转换成iterator类型//写成这样也可以iterator(next);匿名对象
}

clear 清除结点
void clear();

void clear()
{iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);//这里需要注意一下，erase掉当前的结点后，会导致迭代器失效，erase会返回下一个结点的迭代器，删除之后接收一下就行}_size = 0;
}

swap 交换两个链表
void swap(list<T>& l);

void swap(list<T>& li)
{//利用库里面的swap交换两个链表的头结点和size就可以了std::swap(_head, li._head);std::swap(_size, li._size);
}
七、list和vector的区别

在这里插入图片描述

list篇到这里就结束了🎉，欢迎大家来指教我的下一篇stack和queue

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