【C++】list类模拟实现

一、list类实现准备

首先要知道list就是一个带头循环双向链表，在博主以前的文章有过详细讲解顺序表和链表超详细大总结
现在我们首先就要实现每个节点的类：

1.1 list的节点类

	template <class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode(const T& val = T())
			: _prev(nullptr)
			, _next(nullptr)
			, _val(val)
		{}
		ListNode<T>* _prev;
		ListNode<T>* _next;
		T _val;
	};

1.2 list类的成员变量

list的成员变量只需要头节点

typedef ListNode<T> Node;
private:
		Node* _head;

二、迭代器实现❗️❗️

2.1 正向迭代器

按照以前的思路写迭代器如下：

	template <class T>
	struct _list_iterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		_list_iterator(Node* p)
		{
			_p = p;
		}

		T& operator*()
		{
			return _p->_val;
		}

		_list_iterator<T>& operator++()
		{
			_p = _p->_next;
			return *this;
		}

		_list_iterator<T>& operator++(int)
		{
			_list_iterator<T> tmp(*this);
			_p = _p->_next;
			return tmp;
		}

		_list_iterator<T>& operator--()
		{
			_p = _p->_prev;
			return *this;
		}

		_list_iterator<T>& operator--(int)
		{
			_list_iterator<T> tmp(*this);
			_p = _p->_prev;
			return tmp;
		}

		//end() 返回临时变量具有常属性 
		bool operator!=(const _list_iterator<T>& it) const
		{
			return _p != it._p;
		}

		bool operator!=(const _list_iterator<T>& it) const
		{
			return _p == it._p;
		}

		Node* _p;
	};

我们还有个迭代器叫做const迭代器，就是可以++，--，*，就是用的时候不能修改。也就是不能返回T&而是const T&
有人可能想实现一个const版本的重载：

		const T& operator*() const
		{
			return _p->_val;
		}

但现在我们的容器是const，传的迭代器没有变，想要修改还是可以。
为了解决这个问题，第一个方法是拷贝一份迭代器，换个名字，在使用上面的const版本*重载即可。但这样就会造成代码冗余。

所以我们可以这样修改：

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

传入两个模板参数，迭代器模板使用 template
再把*重载改成：

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

双模板参数迭代器实现如下：

	template <class T, class Ref>
	struct _list_iterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef _list_iterator<T, Ref> iterator;
		_list_iterator(Node* p)
		{
			_p = p;
		}

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

		iterator& operator++()
		{
			_p = _p->_next;
			return *this;
		}

		iterator& operator++(int)
		{
			_list_iterator<T> tmp(*this);
			_p = _p->_next;
			return tmp;
		}

		iterator& operator--()
		{
			_p = _p->_prev;
			return *this;
		}

		iterator& operator--(int)
		{
			iterator tmp(*this);
			_p = _p->_prev;
			return tmp;
		}

		//end() 返回临时变量具有常属性 
		bool operator!=(const iterator& it) const
		{
			return _p != it._p;
		}

		bool operator==(const iterator& it) const
		{
			return _p == it._p;
		}

		Node* _p;
	};

但是我们可以发现还有一个问题：*重载如果是原生类型好说，但是对于自定义类型我们需要取出每一个对象就需要重载->。
例如我们想要打印日期类的年月日，直接*取出的是节点。所以我们可以重载一个->拿到节点。

	T* operator->()
	{
		return &_p->_val;
	}

打印年月日就可以这么写：

list<Date>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
	cout << it->year << it->month << it->day << endl;
	++it;
}

其实这里应该写成it->->year，为了可读性编译器优化省略了一个->。而且所有类型只要想重载->都会这样省略。而重载->又会涉及到是否能修改的问题。所以再传一个模板参数。

typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

对于迭代器：

		Ptr operator->()
		{
			return &_p->_val;
		}

2.2 反向迭代器

其实正向迭代器就是对Node* 指针的封装，而反向迭代器就是正向迭代器的封装。

反向迭代器的--就是正向迭代器的++。
而比较大的区别时反向迭代器的*重载取得不是当前位置，而是前一个位置的值。

正向迭代器的开始就是反向迭代器的结束，正向迭代器的结束就是反向迭代器的开始。
代码如下：

namespace yyh
{
	template <class Iterator, class Ref, class Ptr>
	struct reverse_iterator
	{
		typedef reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> iterator;
		// 封装正向迭代器
		reverse_iterator(Iterator it)
			: _it(it)
		{}

		Ref operator*()
		{
			Iterator tmp = _it;
			return *--tmp;
		}

		Ptr operator->()
		{
			Iterator tmp = _it;
			return &--tmp;
		}

		iterator& operator++()
		{
			--_it;
			return *this;
		}

		iterator& operator++(int)
		{
			iterator tmp(*this);
			--_it;
			return tmp;
		}

		iterator& operator--()
		{
			++_it;
			return *this;
		}

		iterator& operator--(int)
		{
			iterator tmp(*this);
			++_it;
			return tmp;
		}

		bool operator==(const iterator& it) const
		{
			return _it == it._it;
		}

		bool operator!=(const iterator& it) const
		{
			return _it != it._it;
		}

		Iterator _it;
	};
}

三、list类接口的实现

3.1 构造函数

		_list_iterator(Node* p)
		{
			_p = p;
		}

3.2 begin()和end()

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

		iterator end()
		{
			return iterator(_head);
		}

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

		const const_iterator end() const
		{
			return const_iterator(_head);
		}

3.3 插入

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

3.4 头插和尾插

		void push_back(const T& val)
		{
			insert(end(), val);
		}

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

3.5 删除

		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());
			Node* prev = pos._p->_prev;
			Node* next = prev->_next->_next;
			delete pos._p;
			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			return iterator(next);
		}

3.6 头删和尾删

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

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

3.7 clear()和析构

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

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

3.8 拷贝构造

		list(const list<T>& lt)
		{
			// 先创建头节点
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
			const_iterator it = lt.begin();
			while (it != lt.end())
			{
				push_back(*it);
				++it;
			}
		}

这里要注意先创建头节点，再插入数据。

3.8.1 现代写法

		// 迭代器区间初始化
		template<class InputIterator>
		list(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			// 先创建头节点
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}

		list(const list<T>& lt)
		{
			_head = new Node;// _head不能为nullptr,析构会解用
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
			list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
			swap(_head, tmp._head);
		}

这里如果给_head赋值为nullptr，后边调用clear()会用到return iterator(_head->_next);，程序崩溃。

3.9 赋值拷贝

		list<T>& operator=(const list<T>& lt)
		{
			if (this != &lt)
			{
				clear();
				for (auto& e : lt)
				{
					push_back(e);
				}
			}
			return *this;
		}

3.9.1 现代写法

		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
			swap(_head, lt._head);
			return *this;
		}

3.10 初始化冲突问题

当我们想用n个val初始化的时候：

		list(size_t n, const T& val = T())
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
			for (size_t i = 0; i < n; i++)
			{
				push_back(val);
			}
		}

但是我们前面使用迭代器初始化：

		template<class InputIterator>
		list(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			// 先创建头节点
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}

当我们使用list lt(5, 1)时，此时我们就会传到迭代器区间初始化，造成寻址错误。
解决方法：
重载一个int 类型的初始化函数：

		list(size_t n, const T& val = T())
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
			for (size_t i = 0; i < n; i++)
			{
				push_back(val);
			}
		}