C++ list模拟实现

list容器介绍

1. list是可以在常数范围内在任意位置进行插入和删除的序列式容器，并且该容器可以前后双向迭代。
2. list的底层是双向链表结构，双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中，在节点中通过指针指向其前一个元素和后一个元素。
3. list与forward_list非常相似：最主要的不同在于forward_list是单链表，只能朝前迭代，已让其更简单高效。
4. 与其他的序列式容器相比(array，vector，deque)，list通常在任意位置进行插入、移除元素的执行效率更好。
5. 与其他序列式容器相比，list和forward_list最大的缺陷是不支持任意位置的随机访问，比如：要访问list的第6个元素，必须从已知的位置(比如头部或者尾部)迭代到该位置，在这段位置上迭代需要线性的时间开销；list还需要一些额外的空间，以保存每个节点的相关联信息(对于存储类型较小元素的大list来说这可能是一个重要的因素)

list常见接口

list iterator的使用

begin返回第一个元素的迭代器
end返回最后一个元素的下一个位置的迭代器

list capacity

empty检测list是否为空，是返回true，否则返回false
size返回list中有效节点的个数

list element access

front返回list的第一个节点中值的引用
back返回list的最后一个节点中值的引用

list modifiers

push_front在list首元素插入值为val的元素
pop_front 删除list中第一个元素
push_back在list尾部插入值为val的元素
pop_back删除list中最后一个元素
insert在list position 位置中插入值为val的元素
erase删除list position位置的元素
swap交换两个list中的元素
clear清空list中的有效元素

list迭代器失效问题

迭代器失效即迭代器所指向的节点的无效，即该节点被删除了。因为list的底层结构为带头结点的双向循环链表，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容器例图

list是一个双向循环链表，所以在进行插入和删除时容易找到上一个节点和下一个节点。

模拟实现代码

#pragma once
#include
namespace bite
{
    // List的节点类
    template<class T>
    struct ListNode
    {
        ListNode(const T& val = T())
            :_pPre(nullptr)
            ,_pNext(nullptr)
            ,_val(val)
        {}
        ListNode<T>* _pPre;
        ListNode<T>* _pNext;
        T _val;
    };
    //List的迭代器类
    template<class T, class Ref, class Ptr>
    struct ListIterator
    {
        typedef ListNode<T>* PNode;
        typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
        ListIterator(PNode pNode = nullptr)
            :_pNode(pNode)
        {}
        ListIterator(const Self& l)
            :_pNode(l._pNode)
        {}
        T& operator*()
        {
            return _pNode->_val;
        }
        T* operator->()
        {
            return &_pNode->_val;
        }
        Self &operator++()
        {
            _pNode = _pNode->_pNext;
            return *this;
        }
        Self operator++(int)
        {
            Self temp(_pNode);
            _pNode = _pNode->_pNext;
            return temp;
        }
        Self& operator--()
        {
            _pNode = _pNode->_pPre;
            return *this;
        }
        Self& operator--(int)
        {
            Self temp(_pNode);
            _pNode = _pNode->_pPre;
            return temp;
        }
        bool operator!=(const Self& l)
        {
            return _pNode != l._pNode;
        }
        bool operator==(const Self& l)
        {
            return _pNode == l._pNode;
        }
        PNode _pNode;
    };

    //list类
    template<class T>
    class list
    {
        typedef ListNode<T> Node;
        typedef Node* PNode;
    public:
        typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
        typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;
    public:
        ///
        // List的构造
        list()
        {
            CreateHead();
        }
        list(int n, const T& value = T())
        {
            CreateHead();
            for (int i = 0; i < n; ++i) {
                push_back(value);
            }
        }
        template <class Iterator>
        list(Iterator first, Iterator last)
        {
            CreateHead();
            while (first != last) {
                push_back(*first);
                ++first;
            }
        }
        list(const list<T>& l)
        {
            CreateHead();
            list<T>temp(l.begin(), l.end());
            swap(temp);
        }
        list<T>& operator=(const list<T> l)
        {
            swap(l);
            return *this;
        }
        ~list()
        {
            clear();
            delete _pHead;
            _pHead = nullptr;
        }
        ///
        // List Iterator
        iterator begin()
        {
            return iterator(_pHead->_pNext);
        }
        iterator end()
        {
            return iterator(_pHead);
        }
        const_iterator begin() const
        {
            return iterator(_pHead->_pNext);
        }
        const_iterator end() const
        {
            return iterator(_pHead);
        }
        ///
        // List Capacity
        size_t size()const
        {
            size_t size = 0;
            ListNode* p = _pHead->_pNext;
            while (p != _pHead) {
                size++;
                p = p->_pNext;
            }
            return size;
        }
        bool empty()const
        {
            return size() == 0;
        }
        
        // List Access
        T& front()
        {
            return _pHead;
        }
        const T& front()const
        {
            return _pHead;
        }
        T& back()
        {
            return _pHead->_pPre;
        }
        const T& back()const
        {
            return _pHead->_pPre;
        }
        
        // List Modify
        void push_back(const T& val) { insert(begin(), val); }
        void pop_back() { erase(--end()); }
        void push_front(const T& val) { insert(begin(), val); }
        void pop_front() { erase(begin()); }
        // 在pos位置前插入值为val的节点
        iterator insert(iterator pos, const T& val)
        {
            PNode newNode = new Node(val);
            PNode cur = pos._pNode;
            newNode->_pPre = cur->_pPre;
            newNode->_pNext = cur;
            newNode->_pPre->_pNext = newNode;
            cur->_pPre = newNode;
            return iterator(cur);
        }
        // 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
        iterator erase(iterator pos)
        {    
            PNode Pnode = pos._pNode;
            PNode next = Pnode->_pNext;
            next->_pPre = Pnode->_pPre;
            Pnode->_pPre->_pNext = next;
            delete Pnode;
            Pnode = nullptr;
            return iterator(next);
        }
        void clear()
        {
            iterator it = begin();
            while (it != end()) {
                it = erase(it);
                ++it;
            }
        }
        void swap(list<T>& l)
        {
            swap(l._pHead);
        }
    private:
        void CreateHead()
        {
            _pHead = new Node;
            _pHead->_pNext = _pHead;
            _pHead->_pPre = _pHead;
        }
        PNode _pHead;
    };
};