【STL】list的模拟实现

 放在专栏【C++知识总结】，会持续更新，期待支持

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1、list数据结构

list是一个带有头节点的双向链表，list主要是由以下部分组成：list节点类、迭代器类、list本身

1.1、list节点类

关于list节点类，由于list本身是一个双向的链表，所以节点内必须包含指向前一个节点的指针、指向后一个节点的指针、用来存储数据的data。同时我们只需给该类一个构造即可，因为对于节点的析构，我们交给list本身这个类来实现即可。如下所示，为list的节点设计：

1.2、迭代器类

list不能像vector那样以一个原生指针作为迭代器，这是因为list中各个节点并不是连续的，但是list中的迭代器必须要能够像“原生指针”那样，能够指向list的节点，同时能够正确的进行递增、递减、解引用等操作，因此，我们在迭代器类的设计中，必须要重载诸如++、*、->等运算符，使其++能够指向当前节点的下一个节点。同时由于list为双向的链表结构，因此我们还要对--进行重载，使其--指向当前节点的前一个节点。

如下所示，为迭代器类设计的基本结构：

（补充：这里==与!=重载忘记填参数了，在后面实现时才发现，这里前面就懒得改了） 

1.3、list本身

对于list本身来说，成员变量只需要一个头节点的指针，即可表示出整个双向链表，同时list还要提供插入、删除等相关函数接口，以及多个形式构造函数的实现、同时链表节点的释放也是在list析构函数中实现的，并且list还要提供迭代器相关的一些函数，如下所示，为其list基本结构：

接下来，我们对这些接口一一进行模拟实现。

2、模拟实现

上面的节点类我们只需要提供上述的一个构造函数即可，这里我们从迭代器开始，一步步模拟实现。

2.1、迭代器类的模拟实现

2.1.1、迭代器类的模板参数

template

首先，我们来解释为什么要存在三个模板参数，以及这三个模板参数所表示的意义。

这里我们来观察我们在list中typedef出普通迭代器iterator，以及const迭代器const_iterator,如下所示：

typedef _iterator _iterator;
typedef _iterator _const_iterator;

在这里，我们与迭代器中的模板参数一一对应，就可以发现，Ref表示的是引用，Ptr表示的是指针类型。

对于普通迭代器，我们在实例化模板参数时，传入T&和T*，我们的_iterator类就会实例化成普通迭代器，Ref这里表示的就是T&，Ptr表示的就是T*，而对于const迭代器来说，在实例化模板参数时，我们传入了const T& 以及const T*，这时_iterator就会实例化成const版本的迭代器，Ref这里表示的就是const T&，Ptr表示的就是const T*

这里我们就实现了：用一份代码，让编译器根据传参的不同，来实例化出普通迭代器或者const迭代器。如果不这样的话，我们就得自己手动再写一份const版本迭代器的相关代码。而const与普通迭代器的代码实现存在大量重复的代码，完全没必要手动再写一份，让编译器来实现即可。使代码更加“优雅”。这也是泛型编程思想的一种体现。

2.1.2、构造函数

迭代器类的构造函数很简单，我们只需要根据传来的参数进行构造即可，如下：

2.1.2、前置++与--

这里我们来实现前置++和--，我们知道，list的节点是不连续的，所以我们要保证++操作可以实现迭代器从当前节点指向下一个节点，--操作可以实现从当前节点指向前一个节点。那该如何实现呢？很简单，利用节点中的next与prev指针来实现：

 2.1.3 后置++与--

前置操作是本身先自增/自减，然后返回自增/自减后的结果，而后置操作则是，本身实现了自增/自减，但是返回的却是自增/自减之前的结果。如下所示：

2.1.4、*与->

我们对迭代器进行解引用，想要实现的是访问到该节点的数据，所以在对*进行重载时，返回节点指向的数据即可，而->返回其节点指向数据的地址即可。 

 2.1.5、==与!=

迭代器在进行比较时，实际上比较的是两个迭代器指向的位置是否为同一个位置，而不是比较迭代器的大小，这是错误的。而判断是否指向同一个位置，只需要判断其指向的pnode是否相同即可。

 至此，我们的迭代器算是正是完成了，接下来我们对list中的接口进行完善。

 2.2、list的模拟实现

在构造相关方面，由于这几个构造都会先创建出一个带有头节点的空链表，所以这里我们对其进行封装成一个函数，然后由不同的构造函数进行调用。如下：

2.2.1、空构造

空构造的实现很简单，就直接调用上面的empty_init函数即可表示是个空链表。

 2.2.2、构造n个val

实际上就是尾插n次，每次插入val即可。如下，一个for循环搞定：

 2.2.3、拷贝构造

对于拷贝构造，也有两种写法，传统写法以及现代写法，传统写法实际也很简单，创建一个头节点，然后将待拷贝的list遍历一遍，将数据进行push_back即可：

 现代写法也很简单，构造一个临时变量，然后进行swap即可。如下：

 2.2.4、迭代器区间构造

2.3、赋值运算符重载

对于赋值运算符重载，也存在两种写法，现代写法以及传统写法，对于传统写法，我们的思路同样是遍历链表，然后实现尾插。如下：

 现代写法就很巧妙，与vector相同，我们采用传值传参（相比传引用，会多一次拷贝构造），然后进行swap即可。

 2.4、迭代器相关

2.4.1、begin与end

begin指向第一个有效节点，而end指向最后一个有效节点的下一个节点。

 当然，我们也要提供const版本，如下：

2.5、元素访问相关

2.5.1、front与back

front返回头部有效节点的数据，也就是head的下一个节点的数据，back返回尾部节点的数据，即head的前一个节点的数据。同样我们也要支持const版本：

2.6、插入删除操作

 2.6.1、insert与erase

insert实现在pos位置插入，list的插入效率非常高，达到了常数级别，我们只需要new一个节点来存储待插入的数据，然后修改pos前一个位置的next以及pos位置的prev指针，以及待插入节点的两个指针即可。如下;

 erase则实现删除pos位置的节点，在删除时要注意一点，就是不能删除头节点，因此我们在erase之前，要先对pos进行判断。如下：

 另外，erase我们还提供了迭代器区间删除版本，实际上就是对erase（pos）的复用：

 2.6.2、push_back与pop_back

push_back实现尾插，不过由于上面我们实现了insert，对任意位置可以进行插入，因此在这里我们只需要进行复用insert即可。如下所示：

 同理，对于pop_back尾删操作，我们也可以进行复用erase：

 2.6.3、push_front与pop_front

同理，我们对于头插头删继续复用insert与erase：

2.7、其它函数

2.7.1、swap

swap函数实现两个链表进行交换，我们直接使用std中提供的swap函数即可：

2.7.2、size

size返回有效节点的个数，这里我们用指针相减法是实现不了的，因为list中的节点不是连续的，所以这里我们只能定义一个变量，然后遍历链表进行++。：

 2.7.3、resize

resize与vector中的模拟实现相同，有两种情况，“扩容”以及缩容。当resize(n,val)中的n>当前size时，进行扩容，扩容多出来的节点，用val填充其data。否则缩容。如下：

2.7.4、clear

clear用来清空容器，如下所示，我们借助begin与end遍历链表，复用erase即可：

 2.7.5、empty

empty用来判断容器是否为空，这里只有当begin与end相等时，容器才为空：

2.8、析构函数

我们上方已经实现了一个clear，用来清空容器有效元素，我们在析构中可以进行复用，最后我们再把head节点释放即可。

2.9、补充

这里我们后面在测试时发现，我们的迭代器区间构造，以及构造n个val，这两者之间发生了冲突：

 解决方法也很简单，有两种，第一种就是我们在传参时把10再转成size_t 类型，让它与其构造的模板参数类型保持一致，都是size_t,此时就不会调错函数了。第二种就是再提供一个int版本的构造。

 此时便可以解决该问题。

至此，我们的list基本上算是模拟实现完毕，还剩一个反向迭代器，将放在后面章节进行讲解。这里我在记录博客时都是以图片的形式进行上传，主要是个人觉得如果放代码的话，显得很冗余，也不便观察，不如图片清晰明了。代码都放在个人gitee：点击跳转

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end.

生活原本沉闷，但跑起来就会有风！