STL：List从0到1

GOTXX2024-03-16 20:35

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🎉本篇文章将 介绍如何使用C++编写代码来实现一个类似于STL中的List容器 相关知识进行分享！
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一.前言

这篇文章将介绍如何使用C++编写代码来实现一个类似于STL中的List容器。 list是一个可以在常数范围内在任意位置进行插入和删除的序列式容器。在这篇文章中，你将学习并实现List的常见功能，如添加元素、删除元素等。通过实现自己的List容器，你将更好地熟悉List的使用及相关特性，并提升对C++语言的理解和掌握。

二.List的介绍

List文档介绍链接: link

  1. list是一个可以在常数范围内在任意位置进行插入和删除的序列式容器，并且该容器可以前后双向迭代；
  2. list的底层是双向链表结构，双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中，在节点中通过指针指向其前一个元素和后一个元素；
  3. list与forward_list非常相似：最主要的不同在于forward_list是单链表，只能朝前迭代，已让其更简单高效；
  4. 与其他的序列式容器相比(array，vector，deque)，list通常在任意位置进行插入、移除元素的执行效率更好（不需要挪动数据）；
  5. 与其他序列式容器相比，list和forward_list最大的缺陷是不支持任意位置的随机访问，比如：要访问list的第6个元素，必须从已知的位置(比如头部或者尾部)迭代到该位置，在这段位置上迭代需要线性的时间开销；list还需要一些额外的空间，以保存每个节点的相关联信息(对于存储类型较小元素的大list来说这可能是一个重要的因素)；

三.List的结构及模拟实现

一.底层结构

List底层是一个带头双向循环链表

如图：


库里面的begin() 与end() 返回的节点位置：

begin()返回的是头节点的下一个节点；
而end()返回的是头节点；

二.List的模拟实现

重点：：迭代器的实现

1. 构造函数
cpp 复制代码 
template<class T>
struct ListNode
{
	ListNode<T>(const T& x=T())    
		:_next(nullptr)
		,_prev(nullptr)
		,_val(x)
	{
	}
	ListNode<T>* _next;
	ListNode<T>* _prev;
	T _val;
};

库里面的List类的构造函数是另写一个函数，因为这个函数拷贝构造会使用，然后复用它，所以我们也这样实现；

cpp 复制代码 
template<class T>
class List
{
public:
	void empty_List()
	{
		_phead = new node;
		_phead->_next = _phead;
		_phead->_prev = _phead;
	}
	List()
	{
		empty_List();
	}
}
2. 拷贝构造函数
cpp 复制代码 
List(const List<T>& lt)
{
	empty_List();     //初始化
	for (const auto& e : lt)    
	{
		push_back(e);        //将lt里面的数据依次尾插
	}
}
3. 插入函数

思路：记录前一个和后一个节点，然后连接

cpp 复制代码 
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	node* newnode = new node(x);    //构造一个节点
	node* next = pos._node;         
	node* prev = next->_prev;      //记录前一个
	newnode->_next = next;         
	next->_prev = newnode;         //链接
	newnode->_prev = prev;
	prev->_next = newnode;

	return pos;
}
4. 尾插函数

复用insert函数

cpp 复制代码 
void push_back(const T& x)
{
/*	node* newnode = new node(x);
	node* tail = _phead->_prev;
	tail->_next = newnode;
	newnode->_prev = tail;       //不复用的写法
	newnode->_next = _phead;
	_phead->_prev = newnode;*/

	insert(end(), x);
}
5. 头插函数

复用insert函数

cpp 复制代码 
	void push_front(const T& x)
	{
		insert(begin(),x);
	}
6. 删除函数
cpp 复制代码 
iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos!=end());

	node* prev = pos._node->_prev;     //保存前一个节点
	node* next = pos._node->_next;     //保存后一个节点
	prev->_next = next;               //连接
	next->_prev = prev;
	delete pos._node;                  //释放掉该节点

	return next;                       //返回删除元素的下一个节点
}
7. 尾删函数

复用删除函数

cpp 复制代码 
	void pop_back()
	{
		//erase(end()._node->_prev);
		erase(--end());       //头节点的前指针指向的是最后一个节点

	}
8. 头删函数

复用删除函数

cpp 复制代码 
	void pop_front()
	{
		erase(begin());     
	}
9. 迭代器的实现

因为链表的底层物理空间不是连续的，所以不能使用原生指针类实现。因为原生指针++，可以找到下一个数据，但是链表的节点与节点之间不是连续的，指针++，不能找到下一个节点，所以我们需要操作符重载，改变 ++, != ,* 等操作符的行为；又因为节点指针是内置类型，不能进行操作符重载，所以我们只能将它进行封装，封装在一个类里面，进行重载；

cpp 复制代码 
template<class T>
struct __List_iterator       
{
	typedef ListNode<T> node;
	typedef __List_iterator<T> self;

	__List_iterator(node* node)       //构造函数
		:_node(node)
	{}
	self& operator++()               //运算符的重载
	{
		_node = _node->_next;       //前置++，返回++后的值
		return *this;
	}
	self& operator++(int)
	{
		self tmp(_node);         //保存++前的值
		_node = _node->_next;

		return tmp;         //返回++前的值
	}
	self& operator--()
	{
		_node = _node->_prev;
		return *this;
	}
	self& operator--(int)
	{
		self tmp(_node);
		_node = _node->_prev;

		return tmp;
	}
	T& operator*()
	{
		return _node->_val;
	}
	bool operator!=(const self& s)
	{
		return s._node!= this->_node;
	}
	bool operator==(const self& s)
	{
		return s._node == this->_node;
	}
	node* _node;
};
10. 赋值运算符重载

传统写法：

cpp 复制代码 
	void clear()
	{
		iterator lt = begin();
		while (lt != end())
		{
			lt = erase(lt);
		}
	}
//lt1=lt2
List<T>& operator=(const List<T>& lt)
{
	clear();                                 //清空函数，将链表中的有效数据删除掉，保留头节点
	for (const auto& e : lt)
	{
		push_back(e);            //依次尾插
	}

	return *this;
}

现代写法：

cpp 复制代码 
void swap(List<T>& lt)
{
	std::swap(_phead, lt->_phead);
}
//lt1=lt2
List<T>& operator=(List<T> lt)    //lt是lt2的拷贝构造
{
	swap(lt);      //交换lt与lt1

	return *this;    //返回
}
补充知识：

typedef 放在类里面与外面的区别：
如果是放在公有里面，则类外面也可以使用，但是要指定类域；
如果是私有的话，则类外面不能使用；

三.总代码：

cpp 复制代码 
#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;

namespace L
{
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode<T>(const T& x=T())
			:_next(nullptr)
			,_prev(nullptr)
			,_val(x)
		{
		}
		ListNode<T>* _next;
		ListNode<T>* _prev;
		T _val;
	};

	template<class T>
	struct __List_iterator
	{
		typedef ListNode<T> node;
		typedef __List_iterator<T> self;

		__List_iterator(node* node)
			:_node(node)
		{}
		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}
		self& operator++(int)
		{
			self tmp(_node);
			_node = _node->_next;

			return tmp;
		}
		self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}
		self& operator--(int)
		{
			self tmp(_node);
			_node = _node->_prev;

			return tmp;
		}
		T& operator*()
		{
			return _node->_val;
		}
		bool operator!=(const self& s)
		{
			return s._node!= this->_node;
		}
		bool operator==(const self& s)
		{
			return s._node == this->_node;
		}
		node* _node;
	};

	template<class T>
	class List
	{
	public:
		typedef ListNode<T> node;
		typedef __List_iterator<T>  iterator;

		iterator begin()
		{
			return iterator(_phead->_next);
		}
		iterator end()
		{
			return iterator(_phead);
		}

		void empty_List()
		{
			_phead = new node;
			_phead->_next = _phead;
			_phead->_prev = _phead;
		}
		List()
		{
			empty_List();
		}
		List(const List<T>& lt)
		{
			empty_List();

			for (const auto& e : lt)    //引用更好，如果T类型是自定义类型的话
			{
				push_back(e);
			}
		}
		//lt1=lt2
		List<T>& operator=(const List<T>& lt)
		{
			clear();
			for (const auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}

			return *this;
		}
		void swap(List<T>& lt)
		{
			std::swap(_phead, lt->_phead);
		}
		//lt1=lt2
		List<T>& operator=(List<T> lt)
		{
			swap(lt);

			return *this;
		}

		void clear()
		{
			iterator lt = begin();
			while (lt != end())
			{
				lt = erase(lt);
			}
		}
		~List()
		{
			clear();
			delete _phead;
			_phead = nullptr;
		}


		void push_back(const T& x)
		{
		/*	node* newnode = new node(x);
			node* tail = _phead->_prev;
			tail->_next = newnode;
			newnode->_prev = tail;
			newnode->_next = _phead;
			_phead->_prev = newnode;*/

			insert(end(), x);
		}
		void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(),x);
		}
		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			node* newnode = new node(x);
			node* next = pos._node;
			node* prev = next->_prev;
			newnode->_next = next;
			next->_prev = newnode;
			newnode->_prev = prev;
			prev->_next = newnode;

			return pos;
		}
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos!=end());

			node* prev = pos._node->_prev;
			node* next = pos._node->_next;
			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete pos._node;

			return next;
		}
		void pop_back()
		{
			//erase(end()._node->_prev);
			erase(--end());

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

	private:
		node* _phead;
	};

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