【C++】list的模拟实现

list的模拟实现

list与vector的对比

我们在通过对vector与list的文档的阅读已经理解，基本对list与vector有了大致的理解，vector与list都是STL中非常重要的序列式容器，由于俩个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不同，其主要不同如下表：
对比vectorlist底层结构动态顺序表，一段连续空间带头节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)插入与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)，插入时又可能需要增容。（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，致使原来的迭代器失效，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。
【总结】：

• vector的优缺点： 缺点1.头部和中部插入删除效率低，需要挪动数据，时间复杂度为O(N)。 缺点2.插入数据空间一般不需要增容，当容量不足时需要扩容，开辟新空间，拷贝数据，释放就空间。 优点1.支持下标的随机访问，从而可以很好的支持排序，二分查找，堆算法等等。
• list的优缺点： 优点1.list头部、中部插入不需要挪动数据，效率高，时间复杂度为O(1)。 优点2.list插入数据是新增节点，不需要扩容。 缺点1.不支持随机访问。

STL中的list底层其实就是带哨兵位循环双向链表。

list的模拟实现

list的三个基本函数类

list本质上是一个带哨兵位的双向循环链表：
在模拟实现list时，需要注意三个类：
1.模拟实现节点类。
2.模拟实现迭代器的类。
3.模拟list主要功能的类
list类的模拟实现主要功能的类需要建立在其他俩个类已经实现的前提之上。

【注意】关于struct与class在C++中的区别：
在C++中，struct与class的唯一区别就是默认访问限定符（即不写public、private、protected时的默认限定符）不同，struct默认为公有public、而class默认为私有private。
在一般情况下，成员有私有也有公有，使用class；成员中全书公有使用struct。

在下面的模拟实现的过程中，节点类与迭代器类都是由struct，因为struct中的成员函数默认为公有。

list的节点类的实现

由于list的本质是带哨兵位的双向循环链表，所以其每一个节点都需要保证有下列成员：
1.前驱指针
2.后继指针
3.data数据
同时，在实现这个类时，需要对其的成员进行初始化。

template<classT>struct_list_node{//成员变量
        _list_node<T>* _next;
        _list_node<T>* _prev;
        T _data;//构造_list_node(const T& val =T()):_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(val){}};

【注意】什么是_list_node< T >和_list_node?
这里使用一个类模板来定义里面的变量，类模板的类名是_list_node，这个不是类型；而_list_node< T >是真正的类型，就是说，使用类模板定义变量时必须指定对应的类型。

list的迭代器类的实现

以前在学习string与vetcor的时候，迭代器是不需要封装的，这是因为string与vector的物理空间是连续的，可以直接使用。
list的底层是带哨兵位的双向循环链表，而链表的物理空间是不连续的，是通过节点的指针顺次链接。

• 基本框架

template<classT,classRef,classPtr>struct_list_iterator{typedef _list_node<T> Node;typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
        Node* _node;};

【迭代器类模板为什么存在三个参数】：
如果只是普通迭代器，仅存在一个class T模板参数即可，但是由于存在const限制的迭代器，需要增添俩个迭代器满足实现。俩个模板参数（Ref< reference引用 >，Ptr< pointer指针 >），这俩个参数模板的目的也是为例传指针与引用，目的后续讲解。

【为什么存在迭代器类】：
迭代器类就是通过封装将迭代器进行了包装，迭代器类就一个节点的指针变量_node，但是由于我们在使用迭代器的时候，会对迭代器进行运算符重载++，- -等操作，而这些操作在链表上普通迭代器是不会实现的。

【指针与迭代器的区别】：
指针与普通的迭代器是没有区别的，但是指针与被封装的迭代器区别就是，当它们都指向同一个节点是，在物理内存中它们都会指向这个节点的地址，但是在进行迭代器操作时会出现不同，指针在进行++时，会指向下一个地址，而迭代器会调用其迭代器的运算符重载函数，其下一个地址是可以被我们所操控的。

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

设置一个迭代器的构造函数，只需要在初始化列表设置一个指针构造。

//解引用
        Ref operator*(){return _node->_date;}

设置一个迭代器的解引用操作符运算符构造函数。
【返回值为什么是Ref】：
Ref是模板参数，因为迭代器类的模板参数Ref传入的要么是T& ，要么是constT& ，就是为了const迭代器和普迭代器的同时实现，其底层实现就是如此，就是为了一个只读，一个可读可写。

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

设置一个operator->()函数，利用operator->直接访问类的成员变量。（Ptr是迭代器的模板参数，用来作为T* 或者 const T*）

【注意】本质上，it->返回的是T*，只有->俩次才会访问T中的成员变量，但是编译器将其中的过程优化过一次。

//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;}

设置operator前置++和- -，与后置++与- -。
【注意】为了区分前置和后置，一般会用函数重载，即设置一个int参数。

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

设置operator!=()与operator==()函数。

【注意】迭代器的拷贝构造、赋值构造和析构函数是不需要字节实现的。这是因为迭代器存的只是一个节点指针，而这个指针同时也是属于链表list的，那么指针的释放应该由list来实现，

• list的迭代器失效： 迭代器失效即迭代器所指的节点的无效，即该节点被删除了。

因为list的底层结构为带哨兵位的双向循环链表，因此在list中进行插入时是不会导致list的迭代器失效的，只有在删除时才会失效，并且失效的只是指向被删除节点的迭代器，其他迭代器不会受到影响。

list的实现

list的主要难点就在节点与迭代器，后面实现list主要功能就是增删查改。

• 基本框架

template<classT>classlist{typedef _list_node<T> Node;public:typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef _list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;private:
        Node* _head;
        size_t _size;};

【const_iterator(const迭代器的介绍)】：
const_iterator迭代器的主要作用就是在迭代器只读时进行使用。不能因为普通迭代器与const迭代器的实现区别仅仅时内部成员的返回值不同，就再写一个类。可以选择多俩个模板参数，引用class Ref与class Ptr。

list(){
            _head =new Node;
            _head->_next = _head;
            _head->_prev = _head;}

设置list的构造函数。

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

        iterator end(){returniterator(_head->_prev);}

        const_iterator begin(){returniterator(_head->_next);}

        const_iterator end(){returniterator(_head->prev);}

设置迭代器begin()与end()。这里使用匿名对象的构造，

list(const list<T>& it){
            _head =new Node;
            _head->_next = _head;
            _head->_prev = _head;for(auto e : it){push_back(e);}}

设置拷贝构造（传统写法）。

voidclear(){
            iterator it =begin();while(it !=end()){
                it =erase();}}

设置clear()函数。

        list<T>&operator=(list<T> it){swap(_head, it.head);return*this;}

设置赋值构造函数

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

        iterator insert(iterator pos,const T& x){
            Node* newnode =newNode(x);
            Node* cur = pos._node;
            Node* prev = cur->_prev;
            prev->_next = newnode;
            newnode->_prev = prev;
            newnode->_next = cur;
            cur->_prev = newnode;++_size;returniterator(newnode);}

设置一个insert()函数。

voidpush_back(const T& x){insert(end(), x);}voidpush_front(const T& x){insert(begin(), x);}voidpop_back(){erase(--end());}voidpop_front(){erase(begin());}

设置pus_back()，push_front()，pop_back()，pop_front()函数。

        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;}

设置erase()函数。

完整代码

#pragmaonce#include<iostream>namespace my_std
{//节点类template<classT>struct_list_node{//成员变量
        _list_node<T>* _next;
        _list_node<T>* _prev;
        T _data;//构造_list_node(const T& val =T()):_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(val){}};//迭代器类template<classT,classRef,classPtr>struct_list_iterator{//成员变量及定义typedef _list_node<T> Node;typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
        Node* _node;//构造_list_iterator(Node* node):_node(node){}//解引用
        Ref operator*(){return _node->_date;}
        
        Ptr operator->(){return&_node->_date;}//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;}booloperator!=(const self& it){return _node != it._node;}booloperator==(const self& it){return _node == it._node;}};template<classT>classlist{typedef _list_node<T> Node;public:typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef _list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;list(){
            _head =new Node;
            _head->_next = _head;
            _head->_prev = _head;}

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

        iterator end(){returniterator(_head->_prev);}

        const_iterator begin(){returniterator(_head->_next);}

        const_iterator end(){returniterator(_head->prev);}list(const list<T>& it){
            _head =new Node;
            _head->_next = _head;
            _head->_prev = _head;for(auto e : it){push_back(e);}}voidclear(){
            iterator it =begin();while(it !=end()){
                it =erase();}}voidswap(list<T>& lt){
            std::swap(_head, lt._head);
            std::swap(_size, lt._size);}

        list<T>&operator=(list<T> it){swap(_head, it.head);return*this;}~list(){clear();delete _head;
            _head =nullptr;}
        iterator insert(iterator pos,const T& x){
            Node* newnode =newNode(x);
            Node* cur = pos._node;
            Node* prev = cur->_prev;
            prev->_next = newnode;
            newnode->_prev = prev;
            newnode->_next = cur;
            cur->_prev = newnode;++_size;returniterator(newnode);}voidpush_back(const T& x){insert(end(), x);}voidpush_front(const T& x){insert(begin(), x);}voidpop_back(){erase(--end());}voidpop_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 next;}private:
        Node* _head;
        size_t _size;};}