C++：模拟实现list

一只努力学习的Cat.2024-09-06 17:25

前言：

上篇文章简单介绍了list的接口使用，那么这篇文章将通过模拟实现list以及常用接口来更好的去理解list类,观看本章前将默认读者对链表的数据结构有初步的了解。

list在库里是一个带哨兵位的双向循环的链表结构，并且list是一个类模板并不是一个指定的类型，所以在模拟实现时需要写成模板。

list的成员变量：

这里仅仅只是介绍关于list里的成员变量，对于其他出现的东西请先不要去深究，之后会有相关介绍。

那么如上图所见，在list的成员变量里，有一个 list_node(单节点) 的类模板，它的成员变量分别是，存放的数据(val)，上一个节点的指针(prev)，以及下一个节点的指针(next)。

在list类模板里只有两个成员变量,一个是头节点的指针(_head)，这里是将list_node<T>这个类型typedef为Node,只是为了更好写。以及一个存放节点数量的数据(_size)。

list_node的成员函数

list_node的成员函数只有一个构造函数，这个构造函数传的参数是一个T类型的数值，至于为什么不是0，是因为0是数值数据类型，而list不一定就是int类，有可能是char，double，甚至自定义类型，所以这边传的是一个T()类型(匿名对象),将T()赋值给val，再将val赋值给成员变量(_val)，并将其他的两个指针都指向nullptr。

list的成员函数

1.emptyInit()

public下方的两个是typedef的迭代器(iterator)类模板暂且先不管

emptyInit()函数：

是负责对头节点(哨兵位)进行的初始化，即new一个节点，并将val初始化，同时将_next与_prev指针都指向自己。同时将_size初始化为0。

2.list() 与 list( const list<T> &lt )

list():

用于默认构造，直接申请一个头节点。

list( const list<T> &lt )：

用于拷贝构造，申请一个头节点后，通过范围for进行单个单个节点的插入,这个要先实现迭代器所以先不着急实现。

3.~list()

~list()：

析构函数，先通过clear()函数清除头节点外的所有节点(下面会实现),接着释放头节点并赋值为nullptr，再将_size赋值为0。

4. void push_back( )

void push_back( ):

就是正常的双向链表的尾插，获取一个新节点，并更新尾节点，最后将头尾进行链接操作。

5.iterator begin( )与 iterator end( )

这里先简单理解list的iterator迭代器为一个结点指针

iterator begin：返回的是头节点的下一个节点，及第一个有效数据的节点位置。

iterator end：返回的是头节点。

6.const iterator begin( ) const与 const iterator end( ) const

const iterator begin( ) const函数：返回的是const list类型对象的头节点的下一个节点,因为const类型对象不能使用普通的迭代器，否则会造成权限放大导致程序崩溃。

const与 const iterator end( ) const函数:返回的是const list类型对象的头节点。

7.iterator insert(iterator pos, const T& val)

iterator insert(iterator pos, const T& val)函数:就是在list的第pos个位置及第pos个节点位置前插入一个新节点。

8.iterator erase(iterator pos)

iterator erase(iterator pos)函数：

删除pos位置的节点，先通过assert断言pos是否在一个正常的位置，接着重新链接pos的_prev节点与pos的_next节点。并释放pos节点，返回next节点的迭代器为了防止内部迭代器失效。

9.size_t size()

10.void clear()

void clear()函数:

创建一个list的 iterator 的 it 指针并指向list的begin位置，接着使用while循环，复用erase函数，循环删除list的有效节点，当it指针指向头节点及end位置时候就退出，保留头节点。

list的迭代器(iterator)

首先我们要知道list的迭代器并不是普通原生的指针类型，因为list链表是各个不一样地址的空间通过指针进行链接起来的。并不像vector，string一样是一段连续的物理空间。如果仅仅只是将list迭代器++，是在单个节点的迭代器上++，并不会到达下一个节点的位置，而是变成一个野指针。

所以，通过将迭代器进行封装为一个类模板，接着再在类模板里自己通过operator++等运算符重载来自己控制++等操作，就能解决这个这个问题。

_list_iterator的成员变量：

list的迭代器里面存放的不可能是一个节点，而是节点的指针,通过operator 运算符重载使得节点指针能够走向下一个或上一个节点，甚至解引用取得节点里的val。

上图创建了一个 _list_iterator的类模板，在list的类模板了将_list_iterator类模板定义为iterator。

接着迭代器的类里再次typedef list_node<T>为Node，_list_iterator<T,Ref,Por>为self(自己)。typed仅仅只是为了更方便以及更好读，并没有其他层次的意义。

_list_iterator(Node*node )

_list_iterator(Node*node )函数：

通过外面传入的node（节点指针）赋值给自身的_node。

Ref operator*( )

Ref operator*()函数:

通过对迭代器的理解 operator* 是将指针解引用，并返回指向的val的引用。

所以返回类型Ref 就是 T&。

self&operator++( )

self&operator++()函数：

根据自身理解，迭代器++会指向下一个位置，那么对于list节点++，会指向下一个节点。

所以 _node = _node->_next; 将自身的下一个节点赋值给自身，这样_node就指向下一个节点位置，而迭代器的返回类型还是迭代器自身 self （_list_iterator<T,Ref,Por>）。

self operator++(int)

self operator++(int)函数：

self&operator++()是前置++，self operator++(int)是后置++。

所以需要创建一个新的迭代器对象temp并初始化temp自身的_node为*this的_node。在将this的_node指向自身的下一个位置。

self& operator--()与self& operator--(int)

Por operator->()

Por operator->()函数：

返回的是_val值的地址，因为_val不一定是内置类型，也有可能是自定义类型，而自定义类型的_val是类型的对象，需要再次解引用才能得到_val里的值。所以返回的是_val的地址，那么 Por =T*。

bool operator!=(const self& it)const与bool operator ==(const self& it)const

operator!=比较的是两个对象，所以，这里比较的是两个迭代器类型对象的成员变量_node是否指向同一块地址空间。

list迭代器小结：

由于list是不连续的空间，不能使用内置的--++操作。所以我们通过封装迭代器类型，让让我们自身去控制迭代器的++与--等。由于迭代器的通用性，使得我们在上层的使用中，并不会觉得迭代器++以及--是一个复杂的操作 和普通的内置++--看起来并无差别，这就是封装带来的好处。

模拟实现list完整代码

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

namespace mabo
{
	template<class T>
	struct list_node
	{
		list_node(T val=T())
			:_next(nullptr)
			,_prev(nullptr)
			,_val(val)
		{}

		T _val;
		list_node* _next;
		list_node* _prev;
	};

	template<class T, class Ref,class Por>
	struct _list_iterator
	{
		typedef list_node<T> Node;
		typedef _list_iterator<T,Ref,Por> self;

		_list_iterator(Node*node )
			:_node(node)
		{}

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

		self&operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		self operator++(int)
		{
			self temp(*this);
			_node = _node->_next;
			return temp;
		}

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

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

		Por operator->()
		{
			return  &_node->_val;
		}

		bool operator!=(const  self& it)const
		{
			return _node != it._node;
		}

		bool operator ==(const  self& it)const
		{
			return _node == it._node;
		}

		Node* _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;

		void emptyInit()
		{
			_head = new Node(T());
			_head->_next = _head->_prev = _head;
			_size = 0;
		}

		list()
		{
			emptyInit();
		}

		list(const list<T>&lt)
		{
			emptyInit();
			for (auto& e:lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}

		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
			_size = 0;
		}

		void swap(list<T>& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
			std::swap(_size, lt._size);
		}

		list<T>&operator=(list<T> lt)
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}

		void push_back(const T&val)
		{
			Node* newnode = new Node(val);
			Node* tail = _head->_prev;

			newnode->_next = _head;
			newnode->_prev = tail;
			tail->_next = newnode;
			_head->_prev = newnode;
		}

		void push_front(const T& val)
		{
			insert(begin(), val);
		}


		iterator begin()
		{
			return _head->_next;
		}

		iterator end()
		{
			return _head;
		}

		const iterator begin() const
		{
			return _head->_next;
		}

		const iterator end() const
		{
			return _head;
		}

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

		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 next;
		}

		size_t size()
		{
			return _size;
		}

		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it!=end())
			{
				it=erase(it);
			}
			_size = 0;
		}


	private:
		Node* _head;
		size_t _size;
	};


	struct A
	{
		A(int a1 = 1, int a2 = 2)
			:_a1(a1)
			, _a2(a2)
		{}

		int _a1;
		int _a2;
	};


}

模拟实现list测试用例

cpp 复制代码 
#include"2024_8_26.h"
using namespace mabo;

void test01()
{
	mabo::list<int> li;
	li.push_back(1);
	li.push_back(2);
	li.push_back(3);
	li.push_back(4);

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


	for (auto e:li)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}
void test02()
{
	
	list<A> li;
	li.push_back(A(1, 2));
	li.push_back(A(3, 4));
	mabo::list<A>::iterator it = li.begin();
	while (it != li.end())
	{
		cout <<it->_a1 << " "<< it->_a2<<endl;
		++it;
	}
	cout << endl;

}

void test03()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);
	lt.push_front(5);
	lt.push_front(6);
	lt.push_front(7);
	lt.push_front(8);

	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	lt.clear();
	list<int> lt1;
	lt1.push_back(10);
	lt1.push_back(20);
	lt1.push_back(30);
	lt1.push_back(40);
	lt = lt1;
	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

}



void test04()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);
	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	list<int> lt1 = lt;
	for (auto e : lt1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

void test05()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);

	list<int> lt1;
	lt1.push_back(5);
	lt1.push_back(6);
	lt1.push_back(7);
	lt1.push_back(8);

	lt = lt1;
	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

}
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