C++——list类及其模拟实现

前言：这篇文章我们继续进行C++容器类的分享——list，也就是数据结构中的链表，而且是带头双向循环链表。

一.基本框架

namespace Mylist
{
    template<class T>
    //定义节点
    struct ListNode
    {
        ListNode<T>* _next;
        ListNode<T>* _prev;
        T _data;

        ListNode(const <T>& x = T())
            :_next(nullptr)    
            ,_prev(nullptr)
            ,_data(x)
        {}
    };
    template<class T>
    class list
    {
        typedef ListNode<T> Node;
    public:
        //构造函数
        list()
        {
            _head = new Node;
            _head->_next = _head;
            _head->_prev = _head;
        }
        //析构函数
        ~list()
        {
            iterator it = begin();
            while (it != end())
            {
                it = erase(it);
            }
            delete _head;
            _head = nullptr;
        }
        //数据个数
        size_t size()
        {
            iterator it = begin();
            size_t Size = 0;
            while (it != end())
            {
                Size++;
                it++;
            }
            return Size;
        }
    private:
        Node* _head;
    };
}

由于要满足存储任意类型的数据，所以我们必须要使用模版来进行定义。

迭代器

关于list类中的最难之处，就是迭代器了。

因为迭代器的原理即为指针，对于string和vector这种创建的对象的物理空间是连续的类来说，我们可以直接对迭代器进行“++”、“--”等数学运算。

而对于本质为链表的list来说，由于每个节点的物理空间都是随机创建，各个节点的地址并不连续，所以我们没法直接进行迭代器的数学运算，而需要对迭代器的各种功能进行重新定义，所以我们创建一个专门为迭代器服务的类：

    //迭代器
    template<class T>
    struct ListIterator
    {
        typedef ListNode<T> Node;
        typedef ListIterator<T> Self;

        ListIterator(Node* node)
            :_node(node)
        {}
        //解引用
        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;
        }
        //不相等
        bool operator!=(const Self& it)
        {
            return _node != it._node;
        }
        //相等
        bool operator==(const Self& it)
        {
            return _node == it._node;
        }
        Node* _node;
    };

随后在list类中将该类名重定义为iterator，便可正常使用迭代器了：

        typedef ListIterator<T> iterator;
        iterator begin()
        {
            return _head->_next;
        }
        iterator end()
        {
            return _head;
        }

这里值得注意的是，因为是带头双向循环链表，所以链表的开始即哨兵位的下一个，而结尾就是哨兵位。

但是现在的迭代器是存在问题的，它并不能实现对const修饰的数据的操作，所以我们还需要一个const迭代器。因为我们的普通迭代器就是用模版来实现的，所以这里可以直接通过模版来实现const迭代器：

    //迭代器
    template<class T,class Ref>
    struct ListIterator
    {
        typedef ListNode<T> Node;
        typedef ListIterator<T,Ref> Self;
        //构造函数
        ListIterator(Node* node)
            :_node(node)
        {}
        //解引用
        Ref 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;
        }
        //不相等
        bool operator!=(const Self& it)
        {
            return _node != it._node;
        }
        //相等
        bool operator==(const Self& it)
        {
            return _node == it._node;
        }
        Node* _node;
    };

        typedef ListIterator<T，T&> iterator;
        typedef ListIterator<T,const T&> const_iterator;

这里有一个细节，因为T同时还要服务于Node类，所以不能直接对其进行修改，而是另用一个模版参数。

因为const对象与非const对象最大的不同之处在于对数据的访问，所以定义一个名为Ref（引用）的模版参数，来对解引用运算符重载函数进行改造。

二.常用操作

1.插入

先来看任意位置的插入，需要传入某个位置的指针pos：

        //pos前插入
        void insert(iterator pos, const T& val)
        {
            Node* cur = pos._node;
            Node* newnode = new Node(val);
            Node* prev = cur->_prev;

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

现在对于我们来说就是非常简单，测试如下：

这里有一个小细节，如果我们插入的位置是第一个节点之前，由于it迭代器的指向并未改变，所以如果进行遍历，他就不会遍历出我们新插入的数据，所以需要更新一下it。

有了pos位置的插入之后，就可以用它来扩展****头插和尾插：

        //尾插
        void push_back(const T& x)
        {
            insert(end(), x);
        }
        //头插
        void push_front(const T& x)
        {
            insert(begin, x);
        }

2.删除

我们同样先写出pos位置的删除：

        //pos删除
        iterator erase(iterator pos)
        {
            Node* cur = pos._node;
            Node* next = cur->_next;
            Node* prev = cur->_prev;

            next->_prev = prev;
            prev->_next = next;
            delete cur;
            return iterator(next);
        }

由于删除会导致迭代器成为野指针，所以我们要对其进行更新， 测试如下：

同样由其扩展出头删和尾删：

        //头删
        void pop_front()
        {
            erase(begin());
        }
        //尾删
        void pop_back()
        {
            erase(--end());
        }

3.拷贝

和string和vector一样，list的拷贝也需要使用深拷贝，那么它的拷贝构造函数该怎么写？

同样是要开辟新的空间，需要一个自己的头结点，随后按照被拷贝的链表的数据进行尾插即可：

        //拷贝构造
        list(const list<T>& lt)
        {
            _head = new Node;
            _head->_next = _head;
            _head->_prev = _head;
            for (auto& e : lt)
            {
                push_back(e);
            }
        }

测试如下：

此外，还有“=”运算符重载的方法：

        //交换
        void swap(list<T>& it)
        {
            std::swap(_head, it._head);
        }
        //=运算符重载
        list<T>& operator=(list<T> lt)
        {
            swap(lt);
            return *this;
        }

这里仍然是巧妙的运用swap函数，因为lt是一个临时拷贝，有自己的空间和地址，所以直接让两者进行交换，lt在退出函数时即被销毁，而拷贝者则继承了它的地址空间，测试如下：

总结

关于list类的基本知识就分享到这里啦。

因为与string和vector都存在很多相似之处，所以建议将这三者放在一起学习。

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