【C++】list的模拟实现

一.list的基本结构

在模拟实现list之前,我们来梳理一下list的基本结构。

list是一个带头、双向、循环的链表。

所以对list的模拟实现,我们可以先封装一个List_Node结构体结点,然后再在list类中去存放头结点的指针来实现。

cpp 复制代码
	//链表结点
	template<class T>
	struct __List_Node
	{
		//构造函数
		__List_Node(const T& val = T())
			:_val(val)
			,_prev(nullptr)
			,_next(nullptr)
		{}
		//成员变量
		T _val;
		__List_Node<T>* _prev;
		__List_Node<T>* _next;
	};

    //list类
	template<class T>
	class list
	{
		typedef __List_Node<T> Node;
	public:

	private:
		Node* _head;//指向链表头结点的指针
	};

二.list的基本雏形

在模拟实现list的成员函数前,我们先来大致把list的雏形写出来。

对于一个list来说,最基本的用法是:插入数据遍历链表

插入数据没什么太多的说法,然而遍历比较重要,对于list的遍历,通常的做法都是去使用迭代器来遍历,所以我们先大致把list的雏形实现出来。

尾插数据

对于list的尾插,不太难,就是去生成一个新结点,然后把新结点链接到尾部即可。

cpp 复制代码
		//尾插
		void push_back(const T& val)
		{
			Node* newnode = new Node(val);//开辟一个新结点

			//开始将新结点链接到尾部
			Node* tail = _head->_prev;//先找到尾结点
			tail->_next = newnode;
			newnode->_prev = tail;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;
		}

遍历链表

在实现遍历链表之前,我们先来回顾下一string和vector的迭代器遍历。

cpp 复制代码
string::iterator it=str.begin();
while(it!=str.end())
{
    cout<<*it<<" ";
    it++;
}
cout<<endl;

vector<int>::iterator it=v.begin();
while(it!=v.end())
{
    cout<<*it<<" ";
    it++;
}
cout<<endl;

对于string和vector的遍历,我们可以看到,想要获取it迭代器的val,直接***it即可,因为string和vector的迭代器就是一个指针指向某个位置的下标,所以可以用*来解引用获取val,但是list不可以这样做,因为list的迭代器是一个指向结点的指针**,直接解引用不能得到****val,而是得到_val、_prev、_next

同时string和vector的迭代器++操作也是真的将迭代器移到下一个位置,而list迭代器++是移到下一个结点处。

接下来在看一个代码来解释,将list的迭代器又++换成+1时,会报错,那是因为list的迭代器类中没有这个运算符的重载。

所以对于list的迭代器实现,我们可以封装一个iterator类来实现,在类中重载++和*

list的迭代器实现

cpp 复制代码
	//封装迭代器
	template<class T>
	struct __list_iterator
	{
		typedef __List_Node<T> Node;
        typedef __list_iterator<T> iterator
		//构造函数
		iterator(Node* val)
			:_node(val)
		{}

		//重载*
		T& operator*()
		{
			return _node->_val;
		}
		 
		//重载++
		iterator operator++()
		{
			_node = _node->_next;
            return *this;
		}

		//重载!=
		bool operator!=(const iterator& it)
		{
			if (this->_node != it._node)
				return true;
			else
				return false;
		}

		//成员变量
		Node* _node;//是一个指针结点的指针
	};

	//list类
	template<class T>
	class list
	{
	public:
		typedef __List_Node<T> Node;
		typedef __list_iterator<T> iterator;
	public:
        //非const正向begin迭代器
		iterator begin()
		{
			iterator it(_head->_next);
			return it;
		}
        //非const正向end迭代器
		iterator end()
		{
			iterator it(_head);
			return it;
		}

	private:
		Node* _head;
	};

做到这里,我list的基本雏形就已经实现了,接下来在一个个的实现剩下的函数即可。

三.正向Iterators的实现

在这里我们先来实现一下正向非constconst迭代器,反向迭代器暂时不讲解。

非const与const的正向迭代器

这两个迭代器前一个比较好实现,后一个就稍微没那么简单,要用到模板。

非const正向迭代器

对于非const的正向迭代器来说,比较简单,正向begin迭代器指向第一个元素,end迭代器指向_head即可。

cpp 复制代码
		//非const正向begin
		iterator begin()
		{
			iterator it(_head->_next);
			return it;
		}

		//非const正向end
		iterator end()
		{
			iterator it(_head);
			return it;
		}

const正向迭代器

但对于const的正向迭代来说,就稍微没那么简单了,对于const的迭代器,我们先要去构建一个const类型的迭代器,然后将这个迭代器返回即可,那么应该如何设计呢,我们可以使用模板来实现。

非const的迭代器传一个**<T,T&,T*>**的模板。

const的迭代器传一个**<T,const T&,const T*>**的模板。

这样我们在构造非const迭代器的时候**传<T,T&,T*>**模板。

在构造const迭代器的时候传**<T,const T&,const T*>**模板。

cpp 复制代码
	//封装迭代器
	template<class T,class Ref,class Ptr>
	struct __list_iterator
	{
		typedef __List_Node<T> Node;
		typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> iterator;
		//构造函数
		__list_iterator(Node* val)
			:_node(val)
		{}

		//重载*
		Ref operator*()
		{
			return _node->_val;
		}

		//重载前置++
		iterator& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		//重载后置++
		iterator operator++(int)
		{
			iterator tmp(*this);
			_node = _node->_next;
			return tmp;
		}

		//重载前置--
		iterator& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		//重载后置--
		iterator operator--(int)
		{
			iterator tmp(*this);
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}

		//重载!=
		bool operator!=(const iterator& it)
		{
			if (this->_node != it._node)
				return true;
			else
				return false;
		}

		//成员变量
		Node* _node;//是一个指针结点的指针
	};
	//list类
	template<class T>
	class list
	{
	public:
		typedef __List_Node<T> Node;
		typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;//正向非const迭代器
		typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//正向const迭代器
	public:
		//const正向begin
		const_iterator begin() const
		{
			const_iterator it(_head->_next);
			return it;
		}

		//const正向end
		const_iterator end() const
		{
			const_iterator it(_head);
			return it;
		}

	private:
		Node* _head;
	};

四.Member functions的模拟实现

构造函数

构造函数最主要有两个,一个是普通的无参构造函数,一个是拷贝构造函数

无参构造函数

无参构造函数我们直接给一个头结点就好了

cpp 复制代码
		//构造函数
		list()
			:_head(new Node)
		{
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}

拷贝构造函数

拷贝构造函数我们可以去遍历拷贝的list,在遍历的途中将数据一个一个的尾插新list

cpp 复制代码
		//拷贝构造函数
		list(const list<T>& l)
			:_head(new Node)
		{
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;

			list<T>::const_iterator it = l.begin();
			while (it != l.end())
			{
				push_back(*it);
				++it;
			}
		}

析构函数

在实现析构函数之前,我们可以先把clear函数实现一下,再在析构函数中复用clear,这写起来更加方便。

clear函数

这个函数的功能是,将头结点除外的所有结点删除 。

cpp 复制代码
		//clear函数
		void clear()
		{
			Node* move = _head->_next;
			while (move != _head)//依次遍历每一个结点,并将结点释放
			{
				Node* moveNext = move->_next;
				delete move;
				move = moveNext;
			}
			_head->_next = _head;//保留头指针
			_head->_prev = _head;
		}

析构函数

先将头结点外的所有结点删除,再删除头节点。

cpp 复制代码
		//析构函数
		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

赋值=重载

list<int> l1;

list<int> l2;

l2=l1;

赋值=重载的实现,我们可以先用l1拷贝构造一个临时的list,再用这个临时的list去与l2做交换

cpp 复制代码
		//交换函数,用于交换两个list
		void Swap(list<T>& l)
		{
			swap(_head, l._head);
		}

		//赋值=重载
		list<T>& operator=(const list<T>& l)
		{
			if (this != &l)
			{
				list<T> tmp(l);//先拷贝构造一个临时list
				Swap(tmp);//用临时的list与*this交换
			}
			return *this;
		}

五.Capacity的模拟实现

在这些接口中,最常用的就前两个,我们来把这两个实现一下。

size函数

cpp 复制代码
		//求链表的大小
		size_t size() const
		{
			size_t count = 0;
			const_iterator cit = begin();
			while (cit != end())
			{
				count++;
				cit++;
			}
			return count;
		}

empty函数

cpp 复制代码
		//判断链表是否为空
		bool empty() const
		{
			if (size() == 0)
				return true;
			else
				return false;
		}

六.Element access的模拟实现

这个部分有两个函数:front获取第一个元素的引用,back获取最后一个元素的引用。

front与back函数

cpp 复制代码
		//front函数
		T& front()
		{
			assert(size());//断言list是否没有数据
			return *(begin());
		}

		const T& front() const
		{
			assert(size());//断言list是否没有数据
			return *(begin());
		}

		//back函数
		T& back()
		{
			assert(size());
			return *(--end());
		}

		const T& back() const
		{
			assert(size());
			return *(--end());
		}

七. Modifiers的模拟实现

在这一部分中,我们来把常用的实现一下。

insert函数

cpp 复制代码
		//insert函数
		iterator insert(iterator pos, const T& val)
		{
			Node* newnode = new Node(val);//开辟一个新结点

			Node* posNext = pos._node->_next;//找到pos的下一个结点

			pos._node->_next = newnode;
			newnode->_prev = pos._node;
			newnode->_next = posNext;
			posNext->_prev = newnode;

			return iterator(newnode);
		}

erase函数

cpp 复制代码
		//erase函数
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());//要删除的结点不能是_head
			Node* posPrev = pos._node->_prev;
			Node* posNext = pos._node->_next;

			posPrev->_next = posNext;
			posNext->_prev = posPrev;
			delete pos._node;	
			return iterator(posNext);
		}

push_back、push_front、pop_back、pop_front函数

对于这四个函数来说,我们可以直接复用上面的inserterase

cpp 复制代码
		//尾插
		void push_back(const T& val)
		{
			insert(--end(), val);
		}

		//尾删
		void pop_back()
		{
			assert(size());
			erase(--end());
		}

		//头插
		void push_front(const T& val)
		{
			insert(end(), val);
		}

		//头删
		void pop_front()
		{
			assert(size());
			erase(begin());
		}

resize函数

这个函数是调整list的数据个数

cpp 复制代码
		//resize函数
		void resize(const size_t& n, const T& val = T())
		{
			if (n > size())//如果要调整的n大于list的大小,则一个个尾插
			{
				size_t tmp=n-size();
				while (tmp--)
				{
					push_back(val);
				}
			}
			else if (n < size())//如果要调整的n小于list的大小,则将一个个尾删
			{
				size_t tmp = size() - n;
				while (tmp--)
				{
					pop_back();
				}
			}
		}

八.所以源代码

list.h

cpp 复制代码
namespace list_blog
{
	//链表结点
	template<class T>
	struct __List_Node
	{
		//构造函数
		__List_Node(const T& val = T())
			:_val(val)
			,_prev(nullptr)
			,_next(nullptr)
		{}
		//成员变量
		T _val;
		__List_Node<T>* _prev;
		__List_Node<T>* _next;
	};

	//封装正向迭代器
	template<class T,class Ref,class Ptr>
	struct __list_iterator
	{
		typedef __List_Node<T> Node;
		typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> iterator;

		typedef Ref Ref;
		typedef Ptr Ptr;
		//构造函数
		__list_iterator(Node* val)
			:_node(val)
		{}

		//重载*
		Ref operator*() const
		{
			return _node->_val;
		}

		//重载前置++
		iterator& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		//重载后置++
		iterator operator++(int)
		{
			iterator tmp(*this);
			_node = _node->_next;
			return tmp;
		}

		//重载前置--
		iterator& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		//重载后置--
		iterator operator--(int)
		{
			iterator tmp(*this);
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}

		//重载!=
		bool operator!=(const iterator& it)
		{
			if (this->_node != it._node)
				return true;
			else
				return false;
		}

		//成员变量
		Node* _node;//是一个指针结点的指针
	};

	//list类
	template<class T>
	class list
	{
	public:
		typedef __List_Node<T> Node;
		typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;//正向非const迭代器
		typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//正向const迭代器
	public:
		//非const正向begin
		iterator begin()
		{
			iterator it(_head->_next);
			return it;
		}

		//非const正向end
		iterator end()
		{
			iterator it(_head);
			return it;
		}

		//const正向begin
		const_iterator begin() const
		{
			const_iterator it(_head->_next);
			return it;
		}

		//const正向end
		const_iterator end() const
		{
			const_iterator it(_head);
			return it;
		}

		//构造函数
		list()
			:_head(new Node)
		{
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}

		//拷贝构造函数
		list(const list<T>& l)
			:_head(new Node)
		{
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;

			list<T>::const_iterator it = l.begin();
			while (it != l.end())
			{
				push_back(*it);
				++it;
			}
		}

		//clear函数
		void clear()
		{
			Node* move = _head->_next;
			while (move != _head)//依次遍历每一个结点,并将结点释放
			{
				Node* moveNext = move->_next;
				delete move;
				move = moveNext;
			}
			_head->_next = _head;//保留头指针
			_head->_prev = _head;
		}

		//析构函数
		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

		//交换函数,用于交换两个list
		void Swap(list<T>& l)
		{
			swap(_head, l._head);
		}

		//赋值=重载
		list<T>& operator=(const list<T>& l)
		{
			if (this != &l)
			{
				list<T> tmp(l);
				Swap(tmp);
			}
			return *this;
		}

		//求链表的大小
		size_t size() const
		{
			size_t count = 0;
			const_iterator cit = begin();
			while (cit != end())
			{
				count++;
				cit++;
			}
			return count;
		}

		//判断链表是否为空
		bool empty() const
		{
			if (size() == 0)
				return true;
			else
				return false;
		}

		//front函数
		T& front()
		{
			assert(size());//断言list是否没有数据
			return *(begin());
		}

		const T& front() const
		{
			assert(size());//断言list是否没有数据
			return *(begin());
		}

		//back函数
		T& back()
		{
			assert(size());
			return *(--end());
		}

		const T& back() const
		{
			assert(size());
			return *(--end());
		}

		//insert函数
		iterator insert(iterator pos, const T& val)
		{
			Node* newnode = new Node(val);//开辟一个新结点

			Node* posNext = pos._node->_next;//找到pos的下一个结点

			pos._node->_next = newnode;
			newnode->_prev = pos._node;
			newnode->_next = posNext;
			posNext->_prev = newnode;

			return iterator(newnode);
		}

		//erase函数
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());//要删除的结点不能是_head
			Node* posPrev = pos._node->_prev;
			Node* posNext = pos._node->_next;

			posPrev->_next = posNext;
			posNext->_prev = posPrev;

			delete pos._node;
			
			return iterator(posNext);
		}

		//尾插
		void push_back(const T& val)
		{
			//Node* newnode = new Node(val);//开辟一个新结点

			开始将新结点链接到尾部
			//Node* tail = _head->_prev;//先找到尾结点
			//tail->_next = newnode;
			//newnode->_prev = tail;
			//newnode->_next = _head;
			//_head->_prev = newnode;

			insert(--end(), val);
		}

		//尾删
		void pop_back()
		{
			assert(size());
			erase(--end());
		}

		//头插
		void push_front(const T& val)
		{
			insert(end(), val);
		}

		//头删
		void pop_front()
		{
			assert(size());
			erase(begin());
		}

		//resize函数
		void resize(const size_t& n, const T& val = T())
		{
			if (n > size())
			{
				size_t tmp=n-size();
				while (tmp--)
				{
					push_back(val);
				}
			}
			else if (n < size())
			{
				size_t tmp = size() - n;
				while (tmp--)
				{
					pop_back();
				}
			}
		}
	private:
		Node* _head;
	};

	//测试正向迭代器
	void Test1()
	{
		list<int> l1;
		l1.push_back(1);
		l1.push_back(2);
		l1.push_back(3);
		l1.push_back(4);

		list<int>::iterator it = l1.begin();
		while (it != l1.end())
		{
			cout << *it << " ";
			it++;
		}
		cout << endl;

		const list<int> l2(l1);
		list<int>::const_iterator cit = l2.begin();
		while (cit != l2.end())
		{
			cout << *cit << " ";
			cit++;
		}
		cout << endl;

	}

	//测试赋值=重载
	void Test2()
	{
		list<int> l1;
		l1.push_back(1);
		l1.push_back(2);
		l1.push_back(3);
		l1.push_back(4);
		
		list<int> l2;
		l1 = l2;

		list<int>::iterator it = l1.begin();
		while (it != l1.end())
		{
			cout << *it << " ";
			it++;
		}
		cout << endl;
	}

	//测试size和empty
	void Test3()
	{
		list<int> l1;
		l1.push_back(1);
		l1.push_back(2);
		l1.push_back(3);
		l1.push_back(4);

		cout << l1.size() << endl;
		cout << l1.empty() << endl;
	}

	//测试front和back函数
	void Test4()
	{
		list<int> l1;
		l1.push_back(1);
		l1.push_back(2);
		l1.push_back(3);
		l1.push_back(4);

		cout << l1.front() << endl;
		cout << l1.back() << endl;
	}

	//测试insert和erase
	void Test5()
	{
		list<int> l1;
		l1.push_back(1);
		l1.push_back(2);
		l1.push_back(3);
		l1.push_back(4);

		list<int>::iterator it = l1.begin();
		it++;
		it++;
		l1.insert(it, 10);

		it = l1.begin();
		it++;
		l1.erase(it);

		it = l1.begin();
		while (it != l1.end())
		{
			cout << *it << " ";
			it++;
		}
		cout << endl;
	}

	//测试头插、头删、尾插、尾删
	void Test6()
	{
		list<int> l1;
		l1.push_back(1);
		l1.push_back(2);
		l1.push_back(3);
		l1.pop_back();
		l1.pop_back();

		l1.push_front(0);
		l1.push_front(-1);
		l1.push_front(-2);
		l1.pop_front();
		l1.pop_front();

		list<int>::iterator it = l1.begin();
		while (it != l1.end())
		{
			cout << *it << " ";
			it++;
		}
		cout << endl;
	}

	//测试resize
	void Test7()
	{
		list<int> l1;
		l1.push_back(1);
		l1.push_back(2);
		l1.push_back(3);
		l1.push_back(4);
		l1.push_back(5);
		l1.resize(10);

		list<int>::iterator it = l1.begin();
		while (it != l1.end())
		{
			cout << *it << " ";
			it++;
		}
		cout << endl;
	}
}

test.c

cpp 复制代码
#include"list.h"

int main()
{
	list_blog::Test1();
	list_blog::Test2();
	list_blog::Test3();
	list_blog::Test4();
	list_blog::Test5();
	list_blog::Test6();
	list_blog::Test7();
	return 0;
}
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