C++：模拟实现list

节点

对于链表节点，我们需要一个数据、一个前驱指针、一个后继指针来维护，并且将其封装成一个类。

template<class T>
struct list_node
{
    T _data;
    list_node<T>* _next;
    list_node<T>* _prev;

    list_node(const T& data = T())
        :_data(data)
        ,_next(nullptr)
        ,_prev(nullptr)
    {}
};

使用struct的原因是因为，struct默认的域作用限定符是public，方便后续使用，不用走友元的那一套。

迭代器

我们知道迭代器提供访问容器的方法，之前实现vector和string时，迭代器用的就是数据类型的指针，但是list不可以直接用。因为vector和string的数据在内存的存放都是连续的，如果想找下一个数据的指针（迭代器），直接（迭代器）指针++就可以了；但是list的数据存放在内存不是连续的，如果直接把指针当成迭代器，迭代器++是找不到下一个数据的迭代器。

所以综上所述，我们应该用类对链表数据类型的指针封装成迭代器，在类里重载操作符让其达到我们想要的效果。

当然，我们实现的迭代器应该有两个版本，普通版本和const版本。

//普通迭代器
template<class T>
struct list_iterator
{
    typedef list_node<T> Node;
    typedef list_iterator<T> Self;
    Node* _node;

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

    T& operator*()
    {
        return _node->_data;
    }

    T* operator->()
    {
        return &_node->_data;
    }

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

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

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

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

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

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

​//const迭代器
template<class T>
struct list_const_iterator
{
    typedef list_node<T> Node;
    typedef list_const_iterator<T> Self;
    Node* _node;

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

    const T& operator*()
    {
        return _node->_data;
    }

    const T* operator->()
    {
        return &_node->_data;
    }

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

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

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

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

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

​

我们发现这两份代码，除了重载*和->有所不同，其余代码都是一样的，所以我们可以增加两个模板参数，将这两份代码合二为一。

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct list_iterator
{
    typedef list_node<T> Node;
    typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;
    Node* _node;

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

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

    Ptr operator->()
    {
        return &_node->_data;
    }

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

    Self operator++(int) // 
    {
        Self tmp(*this);
        _node = _node->_next;
        return tmp;
    }

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

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

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

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

增加Ref和Ptr模板参数，让T*和T&作为参数传入，这就可以解决将两份代码合二为一。

整体框架

​
​
template<class T>
class list
{
    typedef list_node<T> Node; 
public:
    /*typedef list_iterator<T> iterator;
    typedef list_const_iterator<T> const_iterator;*/

    //将T&和T*作为参数传入
    typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;
    typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

    iterator begin()
    {
        /*iterator it(_head->_next);
        return it;*/

        //return iterator(_head->_next);

        //返回哨兵节点的下一个节点（第一个有效节点）
        //隐式类型转换
        return _head->_next;
    }

    iterator end()
    {
        //最后一个有效节点的下一位置，也就是哨兵节点
        return _head;
    }

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

    const_iterator end() const
    {
        return _head;
    }

    //实现各种函数......

private:
    Node* _head;
    size_t _size;
};

​

​

构造函数

empty_init

多种构造函数的代码都有重合，所以把重合部分独立成一个函数。

​
void empty_init()
{
    //创造哨兵节点
    _head = new Node();
    _head->_next = _head;
    _head->_prev = _head;
    _size = 0;
}

​

普通构造

普通构造就是创造哨兵节点，调用empty_init即可。

//普通构造
list()
{
    empty_init();
}

列表构造

C++11的用法，用法例子如下：

list<int> lt1 = { 1,2,3,4,5,6 };

先创造一个哨兵节点，然后将列表的元素尾插即可。

//列表构造
list(initializer_list<T> il)
{
    empty_init();
    for (auto& e : il)
    {
        push_back(e);
    }
}

关于列表**initializer_list<T>**的知识，可以看以下连接。

介绍列表

拷贝构造

创建哨兵节点，将链表元素尾插到待构造的链表就完成拷贝构造了。

//拷贝构造
list(const list<T>& lt)
{
    empty_init();

    for (auto& e : lt)
    {
        push_back(e);
    }
}

赋值重载

与临时对象lt交换即可，跟string、vector的实现类似。

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;
}

析构函数

clear

清理除了哨兵节点以外的所有节点。

void clear()
{
    auto it = begin();
    while (it != end())
    {
        it = erase(it);
    }
}

先将链表clear掉，然后清理哨兵节点。

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

insert

在pos（迭代器）位置前插入元素x，插入后_size++，返回新插入元素的迭代器。

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
    Node* cur = pos._node; //pos是iterator类的对象，访问里面的成员变量用pos._node，不能用pos->_node
    Node* prev = cur->_prev;

    Node* newnode = new Node(x);

    newnode->_next = cur;
    cur->_prev = newnode;
    newnode->_prev = prev;
    prev->_next = newnode;

    ++_size;

    //隐式类型转换
    return newnode;
}

erase

删除pos位置的元素，删除后_size--，返回删除元素的下一元素的迭代器。

iterator erase(iterator pos)
{
    assert(pos != end());          //不能删掉哨兵位的节点

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

    prev->_next = next;
    next->_prev = prev;

    delete pos._node; 
    --_size;

    return next;
}

push_back和push_front

利用insert函数就可以实现尾插和头插。

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;

    ++_size;*/ 
    insert(end(), x);
}

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

pop_back和push_front

利用erase函数实现尾删和头删。

void pop_back()
{
    erase(--end());
}

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

size

返回链表有效元素的个数.。

size_t size() const
{
    return _size;
}

empty

判断链表是否为空。

bool empty() const
{
    return _size == 0;
}

Print_Container

打印容器的函数。

template<class Container>
void Print_Container(const Container& con)
{
    //const对象要用const迭代器，这里没实现的话会报错
    /*auto it = con.begin();
    while (it != con.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }*/

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

拜拜，下期再见😏

摸鱼ing😴✨🎞