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目录
[1. vector与list的区别](#1. vector与list的区别)
[2. 模拟实现](#2. 模拟实现)
[2.1 三个基本类](#2.1 三个基本类)
[2.2 节点类实现](#2.2 节点类实现)
[2.3 迭代器类实现](#2.3 迭代器类实现)
[2.3.2 operator*](#2.3.2 operator*)
[2.3.3 operator->](#2.3.3 operator->)
[2.3.4 operator前置++和后置++](#2.3.4 operator前置++和后置++)
[2.3 5 operator前置--和后置--](#2.3 5 operator前置--和后置--)
[2.3.6 operator!=和operator==](#2.3.6 operator!=和operator==)
[2.4 list功能类实现](#2.4 list功能类实现)
[2.4.1 基础实现](#2.4.1 基础实现)
[2.4.2 构造函数](#2.4.2 构造函数)
[2.4.3 begin()和end()](#2.4.3 begin()和end())
[2.4.4 拷贝构造函数](#2.4.4 拷贝构造函数)
[2.4.5 赋值运算符重载](#2.4.5 赋值运算符重载)
[2.4.6 insert（）](#2.4.6 insert（）)
[2.4.7 push_back（）](#2.4.7 push_back（）)
[2.4.8 push_front（）](#2.4.8 push_front（）)
[2.4.9 erase（）](#2.4.9 erase（）)
[2.4.10 pop_back（）](#2.4.10 pop_back（）)
[2.4.11 pop_front（）](#2.4.11 pop_front（）)
[2.4.12 clear（）](#2.4.12 clear（）)
[2.4.13 析构函数](#2.4.13 析构函数)
[2.4.14 size（）](#2.4.14 size（）)
[2.4.15 empty（）](#2.4.15 empty（）)
[3. 代码整理](#3. 代码整理)
[3.1 list.h](#3.1 list.h)
[3.2 test.cpp](#3.2 test.cpp)
导读
我们刚刚学习了list的一些基本的使用，现在我们来尝试着模拟实现一下。
需要注意的是，我们需要写三个类来进行模拟实现。
1. vector与list的区别
vector与list都是STL中非常重要的序列式容器，由于两个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不 同，其主要不同如下：
| | vector | list |
| 底 层 结 构 | 动态顺序表，一段连续空间 | 带头结点的双向循环链表 |
| 随 机 访 问 | 支持随机访问，访问某个元素效率O(1） | 不支持随机访问，访问某个元素 效率O(N) |
| 插 入 和 删 除 | 任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间复杂 度为O(N)，插入时有可能需要增容，增容：开辟新空 间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低 | 任意位置插入和删除效率高，不 需要搬移元素，时间复杂度为 O(1） |
| 空 间 利 用 率 | 底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利用率 高，缓存利用率高 | 底层节点动态开辟，小节点容易 造成内存碎片，空间利用率低， 缓存利用率低 |
| 迭 代 器 | 原生态指针 | 对原生态指针(节点指针)进行封装 |
| 迭 代 器 失 效 | 在插入元素时，要给所有的迭代器重新赋值，因为插入 元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，删 除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效 | 插入元素不会导致迭代器失效， 删除元素时，只会导致当前迭代 器失效，其他迭代器不受影响 |
| 使 用 场 景 | 需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率 | 大量插入和删除操作，不关心随 机访问 |
|---|
2. 模拟实现
2.1 三个基本类
真正实现list，我们需要完成三个类：
- 节点类
- 迭代器类
- list功能类
为什么要写三个类？
我们在上面与vector的对比中了解到，list的空间不是连续的，节点类是好理解的，因为每个节点都有前驱指针、后驱指针以及数据，设定节点类更方便我们进行管理。也正是因为list每个节点空间并不是连续的，所以它的迭代器并不像vector或是string那样可以直接使用，而是需要我们自己来实现它，以便于让它++或是--能访问到下一个节点。
2.2 节点类实现
在节点类中，有三个成员变量：
_prev：指向前一个节点的指针。_next：指向后一个节点的指针。_data：节点的数据。
节点类有一个默认构造函数，默认参数为T()，其中T是模板类型。构造函数初始化了成员变量，将_prev和_next指针置为nullptr，_data置为给定的值（默认为类型T的默认值）。
当
T被具体化为int时，ListNode<int>*就是指向ListNode<int>类型对象的指针，类似于int*是指向int类型对象的指针。
cpp
//节点类实现
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode<T>* _prev;//C++中可省略了struct
ListNode<T>* _next;
T _data;
//构造函数
ListNode(const T& x = T())
:_next(nullptr)
,_prev(nullptr)
,_data(x)
{}
};2.3 迭代器类实现
2.3.1基础实现及构造函数
代码中定义了三个模板参数：
T表示节点中存储的数据类型，Ref表示引用类型，Ptr表示指针类型。Node* _node是指向当前节点的指针。
ListIterator(Node* node)是构造函数，用于初始化迭代器对象。它接受一个参数node，表示要遍历的节点。
cpp//迭代器类实现 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) {} }通过使用模板参数，可以实现在不同类型的节点上使用相同的迭代器类。例如，可以用
ListIterator<int, int&, int*>来遍历存储int类型数据的链表，或者用ListIterator<string, string&, string*>来遍历存储string类型数据的链表。
2.3.2 operator*
cpp
//*it（调用的是函数，返回节点中的值）
//T& operator*()
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}2.3.3 operator->
这个重载是服务于自定义类型的，比如Date类，如果需要访问Date类中的元素则需
cpp
list<Date>::iterator it;
it->Date->data;
cpp
//it-> 自定义类型需要
//T* operator->()
//list<Date>::iterator it; it->Date->data;
Ptr operator->()
{
return &_node->_data;
}2.3.4 operator前置++和后置++
cpp
//++it 迭代器++本质就是指针往后移，加完后还应是个迭代器
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
//it++
Self operator++(int)//加参数方便区分前置++和后置++
{
Self tmp(*this);//拷贝构造，记录当前节点
_node = _node->_next;
return tmp;//因为是先使用再++，所以返回原先节点方便使用
}2.3 5 operator前置--和后置--
cpp
//--it
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
//it--
Self operator--(int)
{
Self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}2.3.6 operator!=和operator==
cpp
//it != end()
bool operator!=(const Self& it)
{
return _node != it._node;
}
bool operator==(const Self& it)
{
return _node == it._node;
}2.4 list功能类实现
2.4.1 基础实现
cpp
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
private:
Node* _head;//头节点
size_t _size;
};2.4.2 构造函数
对哨兵位的头结点_head进行初始化
cpp
void empty_init()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
_size = 0;
}
//构造函数
list()
{
empty_init();
}2.4.3 begin()和end()
begin的作用是返回第一个位置的结点的迭代器，而第一个结点就是哨兵位头结点的下一个结点。
end的作用就是返回最后一个有效数据的下一个位置的迭代器，而这里对于list指的就是头结点_head的位置。
cpp
iterator begin()
{
return _head->_next;
}
iterator end()
{
return _head;
}
const_iterator begin() const
{
return _head->_next;
}
const_iterator end() const
{
return _head;
}2.4.4 拷贝构造函数
cpp
// lt2(lt1)拷贝构造
list(const list<T>& lt)
{
empty_init();
//遍历lt1，把lt1的元素push_back到lt2里头
for (auto& e : lt)
{
push_back(e);
}
}2.4.5 赋值运算符重载
cpp
void swap(list<T>& lt)
{
std::swap(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
//lt1 = lt2
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
swap(lt);
return *this;
}2.4.6 insert（）
- 获取要插入位置的迭代器
pos所指向的节点cur。 - 创建一个新的节点
newnode，并将其数据值初始化为传入的参数val。 - 获取当前节点
cur的前一个节点prev。 - 将新节点
newnode插入到当前位置：- 将前一个节点的下一个节点指针
_next指向新节点newnode。 - 将新节点的前一个节点指针
_prev指向前一个节点。 - 将新节点的下一个节点指针
_next指向当前节点cur。 - 将当前节点的前一个节点指针
_prev指向新节点newnode。
- 将前一个节点的下一个节点指针
- 增加链表的大小
_size。
cpp
void 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++;
}2.4.7 push_back（）
法一：
- 创建一个新的节点
newnode，并将其数据值初始化为传入的参数x。- 获取链表的尾节点
tail，即链表头节点的前一个节点。- 将新节点
newnode插入到链表尾部：
- 将尾节点的下一个节点指针
_next指向新节点newnode。- 将新节点的前一个节点指针
_prev指向尾节点。- 将新节点的下一个节点指针
_next指向链表头节点。- 将链表头节点的前一个节点指针
_prev指向新节点newnode。
cppvoid push_back(const T& x) { Node* newnode = new Node(x); Node* tail = _head->_prev; tail->_next = newnode; newnode->_prev = tail; newnode->_next = _head; _head->_prev = newnode; }
法二：
直接调用insert（）函数
cppvoid push_back(const T& x) { insert(end(), x); }
2.4.8 push_front（）
cpp
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}2.4.9 erase（）
- 首先判断传入的迭代器
pos是否指向链表的末尾，如果是，则抛出异常。 - 获取要删除位置的迭代器
pos所指向的节点cur。 - 获取当前节点
cur的前一个节点prev和后一个节点next。 - 将前一个节点的下一个节点指针
_next指向后一个节点。 - 将后一个节点的前一个节点指针
_prev指向前一个节点。 - 删除当前节点
cur。 - 减少链表的大小
_size。 - 返回一个指向下一个节点的迭代器。
cpp
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;
_size--;
return iterator(next);
}2.4.10 pop_back（）
直接复用erase函数
cpp
void pop_back()
{
erase(--end());
}2.4.11 pop_front（）
cpp
void pop_front()
{
erase(begin());
}2.4.12 clear（）
复用erase函数，遍历每个节点。
cpp
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}2.4.13 析构函数
调用clear函数，并释放哨兵节点。
cpp
//析构函数
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}2.4.14 size（）
cpp
size_t size() const
{
return _size;
}2.4.15 empty（）
判断size是否等于0。
cpp
bool empty()
{
return size == 0;
}3. 代码整理
3.1 list.h
cpp
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>
namespace mylist
{
//节点类实现
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode<T>* _prev;//C++中可省略了struct
ListNode<T>* _next;
T _data;
//构造函数
ListNode(const T& x = T())
:_next(nullptr)
,_prev(nullptr)
,_data(x)
{}
};
//迭代器类实现
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)
{}
//*it（调用的是函数，返回节点中的值）
//T& operator*()
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
//it-> 自定义类型需要
//T* operator->()
//list<Date>::iterator it; it->Date->data;
Ptr operator->()
{
return &_node->_data;
}
//++it 迭代器++本质就是指针往后移，加完后还应是个迭代器
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
//it++
Self operator++(int)//加参数方便区分前置++和后置++
{
Self tmp(*this);//拷贝构造，记录当前节点
_node = _node->_next;
return tmp;//因为是先使用再++，所以返回原先节点方便使用
}
//--it
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
//it--
Self operator--(int)
{
Self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
//it != end()
bool operator!=(const Self& it)
{
return _node != it._node;
}
bool operator==(const Self& it)
{
return _node == it._node;
}
};
//链表类
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
iterator begin()
{
return _head->_next;
}
iterator end()
{
return _head;
}
const_iterator begin() const
{
return _head->_next;
}
const_iterator end() const
{
return _head;
}
void empty_init()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
_size = 0;
}
//构造函数
list()
{
empty_init();
}
// lt2(lt1)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(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
//lt1 = lt2
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
swap(lt);
return *this;
}
//析构函数
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
/*void push_back(const T& x)
{
Node* newnode = new Node(x);
Node* tail = _head->_prev;
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _head;
_head->_prev = newnode;
}*/
void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x);
}
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}
void 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++;
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
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;
_size--;
return iterator(next);
}
size_t size() const
{
return _size;
}
bool empty()
{
return size == 0;
}
private:
Node* _head;//头节点
size_t _size;
};
void test1()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
cout << "尾插" << endl;
list<int>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
lt.push_front(10);
lt.push_front(20);
lt.push_front(30);
cout << "头插" << endl;
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
lt.pop_back();
lt.pop_back();
lt.pop_front();
lt.pop_front();
cout << "头删尾删" << endl;
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
struct Date
{
int _year = 0;
int _month = 1;
int _day = 1;
};
void test2()
{
Date* p2 = new Date;
*p2;//取到的是Date
p2->_year;//取到的是Date类中的成员变量
list<Date>lt;
lt.push_back(Date());
lt.push_back(Date());
//list存了个日期类(自定义类型)的类型
list<Date>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
//cout << *it << " ";
cout << it->_year << "-" << it->_month << "-" << it->_day << endl;
++it;
}
cout << endl;
}
}3.2 test.cpp
cpp
#include "list.h"
int main()
{
//mylist::test1();
mylist::test2();
return 0;
}