【STL】模拟实现list

目录

1、list介绍

所要实现类及其成员函数接口总览 

2、结点类的模拟实现 

基本框架

构造函数

3、迭代器类的模拟实现

迭代器类存在的意义

3.1、正向迭代器 

基本框架

默认成员函数

构造函数

++运算符重载

--运算符重载 

!=运算符重载

==运算符重载 

*运算符重载 

->运算符重载 

3.2、反向迭代器

4、list类的模拟实现

基本框架

4.1、默认成员函数 

构造函数

拷贝构造函数

赋值运算符重载函数 

析构函数

4.2、迭代器相关函数

begin和end

rbegin和rend

4.3、访问容器相关函数 

front和back

4.4、增加的相关函数 

insert

push_back尾插

push_front头插 

4.5、删除的相关函数 

erase

pop_back尾删 

pop_front头删 

4.6、其他函数

size

resize

clear 

empty

empty_init空初始化

swap交换 

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1、list介绍

在STL的底层实现当中，list其实就是一个带头双向循环链表：

我们现在要模拟实现list，要实现以下三个类：

1. 模拟实现结点类
2. 模拟实现迭代器的类
3. 模拟list主要功能的类

第三个类的实现是基于前两个类。我们依次递进进行讲解。 

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所要实现类及其成员函数接口总览 

namespace Fan
{
	//模拟实现list当中的结点类
	template
	struct _list_node
	{
		//成员函数
		_list_node(const T& val = T()); //构造函数

		//成员变量
		T _data;                  //数据域
		_list_node* _next;    //后驱指针
		_list_node* _prev;    //前驱指针
	}; 

	//模拟实现list迭代器
	template
	struct _list_iterator
	{
		typedef _list_node Node;
		typedef _list_iterator self;

		_list_iterator(Node*node);  //构造函数

		//各种运算符重载函数
		self operator++();
		self operator--();
		self operator++(int);
		self operator--(int);
		bool operator==(const self& s)const;
		bool operator!=(const self& s)const;
		Ref operator*();
		Ptr operator->();

		//成员变量
		Node* _node; //一个指向结点的指针
	};

	//模拟实现list
	template
	class list
	{
	public:
		typedef _list_node Node;
		typedef _list_iterator iterator;
		typedef _list_iterator const_iterator;

		//默认成员函数
		list();
		list(const list& lt);
		list& operator=(const list& lt);
		~list();

		//迭代器相关函数
		iterator begin();
		iterator end();
		const_iterator begin()const;
		const_iterator end()const;

		//访问容器相关函数
		T& front();
		T& back();
		const T& front()const;
		const T& back() const;

		//插入、删除函数
		void insert(iterator pos, const T& x);
		iterator erase(iterator pos);
		void push_back(const T& x);
		void pop_back();
		void push_front(const T& x);
		void pop_front();

		//其它函数
		size_t size()const;
		void resize(size_t n, const T& val = T());
		void clear();
		bool empty()const;
		void swap(list& lt);

	private:
		Node* _head; //指向链表头结点的指针
	};
}

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2、结点类的模拟实现 

基本框架

因为list的本质为带头双向循环链表，所以我们要确保其每个结点有以下成员：

1. 前驱指针
2. 后继指针
3. data值存放数据

//模拟实现list当中的结点类
	template
	struct _list_node
	{
		//成员变量
		T _data;                  //数据域
		_list_node* _next;    //后驱指针
		_list_node* _prev;    //前驱指针
	}; 

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构造函数

对于结点类的成员函数，我们只需要实现一个构造函数即可。结点的释放则由list默认生成的析构函数来完成。

//构造函数
_list_node(const T& val=T())
	:_data(val)
	,_next(nullptr)
	,_prev(nullptr)
{}

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3、迭代器类的模拟实现

迭代器类存在的意义

我们知道list是带头双向循环链表，对于链表，我们知道其内存空间并不是连续的，是通过结点的指针顺次链接。而string和vector都是将数据存储在一块连续的内存空间，我们可以通过指针进行自增、自减以及解引用等操作，就可以对相应位置的数据进行一系列操作，因此string和vector的迭代器都是原生指针。而对于list，其各个结点在内存中的位置是随机的，并不是连续的，我们不能通过结点指针的自增、自减以及解引用等操作来修改对应结点数据。为了使得结点指针的各种行为和普通指针一样，我们对结点指针进行封装，对其各种运算符进行重载，使得我们可以用和string和vector当中的迭代器一样的方式使用list当中的迭代器。

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3.1、正向迭代器 

基本框架

//模拟实现list迭代器
template
struct _list_iterator
{
	typedef _list_node Node;
	typedef _list_iterator self;

	//成员变量
	Node* _node; //一个指向结点的指针
};

• 注意：

我们这里迭代器类的模板参数里面包含了3个参数：

template

在后文list类的模拟实现中，我对迭代器进行了两种typedef：

typedef _list_iterator iterator;//普通迭代器
typedef _list_iterator const_iterator;//const迭代器

根据这里的对应关系：Ref对应的是&引用类型，Ptr对应的是*指针类型。当我们使用普通迭代器时，编译器就会实例化出一个普通迭代器对象；当我们使用const迭代器时，编译器就会实例化出一个const迭代器对象。提高代码复用性。

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默认成员函数

这里的默认成员函数我们只需要写构造函数。

• 析构函数—结点并不属于迭代器，不需要迭代器释放
• 拷贝构造—编译器默认生成的浅拷贝即可
• 赋值重载—编译器默认生成的浅拷贝即可

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构造函数

我们这里通过结点的指针即可完成构造。

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

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++运算符重载

++运算符非为前置++和后置++

• 前置++

迭代器++的返回值还是迭代器。对于结点指针的前置++，我们就应该先让结点指针指向后一个结点，然后返回“自增”后的结点指针。

//前置++
self& operator++()
{
	_node = _node->_next; //直接让自己指向下一个结点即可实现++
	return *this;         //返回自增后的结点指针
}

• 后置++

为了和前置++进行区分，后置++通常需要加上一个参数。此外，后置++是返回自增前的结点指针。

//后置++
self operator++(int) //加参数以便于区分前置++
{
	self tmp(*this);      //拷贝构造tmp
	_node = _node->_next; //直接让自己指向下一个结点即可实现++
	return tmp;
}

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--运算符重载 

--运算符分为前置--和后置--

• 前置--

前置--是让结点指针指向上一个结点，然后再返回“自减”后的结点指针即可。

//前置--
self operator--()
{
	_node = _node->_prev; //让结点指针指向前一个结点
	return *this;         //返回自减后的结点指针
}

• 后置--

先记录当前结点指针的指向，然后让结点指针指向前一个结点，最后返回“自减”前的结点指针即可。

//后置--
self operator--(int) //加参数以便于区分前置--
{
	self tmp(*this); //拷贝构造tmp
	_node = _node->_prev;
	return tmp;
}

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!=运算符重载

这里的比较是两个迭代器的比较，我们直接返回两个结点的位置是否不同即可。

//!=运算符重载
bool operator!=(const self& it)
{
	return _node != it._node; //返回两个结点指针的位置是否不同即可
}

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==运算符重载 

我们直接返回两个结点指针是否相同即可。

//==运算符重载
bool operator==(const self& it)
{
	return _node == it._node; //返回两个结点指针是否相同
}

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*运算符重载 

当我们使用解引用操作符时，是想要得到该位置的数据内容。因此我们直接返回结点指针指向的_data即可。

//*运算符重载
Ref operator*() //结点出了作用域还在，我们用引用返回
{
	return _node->_data; //返回结点指向的数据
}

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->运算符重载 

假设出现此类情形，我们链表中存储的不是内置类型，而是自定义类型，如下：

struct AA
{
	AA(int a1 = 0, int a2 = 0)
		:_a1(a1)
		,_a2(a2)
	{}
	int _a1;
	int _a2;
};
void test()
{
	Fan::list lt;
	lt.push_back(AA(1, 1));
	lt.push_back(AA(2, 2));
	lt.push_back(AA(3, 3));
	lt.push_back(AA(4, 4));
}

对于内置类型和自定义类型成员的指针，其访问方式是不同的：

int*  *it
AA*   (*it). 或者 it->

这里我们应该重载一个->运算符。以便于访问自定义类型成员的指针的数据。

//->运算符重载
Ptr operator->()
{
	return &(operator*()); //返回结点指针所指向的数据的地址
	//或者return &_node->_data;
}

实现了->运算符重载后，我们执行it->_a1，编译器就将其转换成it.operator->()，此时获得的是结点位置的地址即AA*，这里应该还有一个箭头->才能获取数据，也就是这样：it.operator->()->_a1

• 编译器为了可读性将其进行优化处理，如果不进行优化应该是it->->a1,优化以后省略了一个箭头->。

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3.2、反向迭代器

反向迭代器是一种适配器模式(后面我们会讲到适配器)。相比于正向迭代器，反向迭代器主要有以下三种变化。

• 反向迭代器里面的++执行的操作是正向迭代器里面的--。
• 反向迭代器里面的--执行的操作是正向迭代器里面的++。
• 反向迭代器里面的*解引用和->操作指向的是前一个数据。

⭐反向迭代器是一种适配器模式。任何容器的迭代器封装适配一下都能够生成对应的反向迭代器。

⭐反向迭代器里面的*解引用和->操作指向的是前一个数据。其目的主要是为了对称设计。在代码实现当中，rbegin函数对应的是end函数，rend函数对应的是begin函数。

代码如下：

namespace Fan
{
	template
	struct Reverse_iterator
	{
		Iterator _it;
		typedef Reverse_iterator Self;

		//构造函数
		Reverse_iterator(Iterator it)
			:_it(it)
		{}
		//*运算符重载
		Ref operator*()
		{
			Iterator tmp = _it;
			//返回上一个数据
			return *(--tmp);
		}

		//->运算符重载
		Ptr operator->()
		{
			//复用operator*,返回上一个数据
			return &(operator*());
		}

		//++运算符重载
		Self& operator++()
		{
			--_it;
			return *this;
		}
		Self operator++(int)
		{
			Iterator tmp = _it;
			--_it;
			return tmp;
		}

		//--运算符重载
		Self& operator--()
		{
			++_it;
			return *this;
		}
		Self operator--(int)
		{
			Iterator tmp = _it;
			++_it;
			return tmp;
		}

		//!=运算符重载
		bool operator!=(const Self& s)
		{
			return _it != s._it;
		}
		//==运算符重载
		bool operator==(const Self& s)
		{
			return _it == s._it;
		}
	};
}

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4、list类的模拟实现

基本框架

在list类中的唯一一个成员变量即为先前的结点类构成的头结点指针：

//模拟实现list
template
class list
{
public:
	typedef _list_node Node;
    //正向迭代器
	typedef _list_iterator iterator;  //普通迭代器
	typedef _list_iterator const_iterator;  //const迭代器
    
    //反向迭代器
	typedef Reverse_iterator reverse_iterator;
	typedef Reverse_iterator const_reverse_iterator;

private:
	Node* _head; //指向链表头结点的指针
};

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4.1、默认成员函数 

构造函数

• 无参构造：

list是一个带头双向循环链表，在构造一个list对象时，我们直接申请一个头结点，并让其前驱指针和后继指针都指向自己即可。

//构造函数
list()
{
	_head = new Node();//申请一个头结点
	_head->_next = _head;//头结点的下一个结点指向自己构成循环
	_head->_prev = _head;//头结点的上一个结点指向自己构成循环
}

• 传迭代器区间构造：

先进行初始化，然后利用循环对迭代器区间的元素挨个尾插。

//传迭代器区间构造
template 
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
	empty_init();
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		first++;
	}
}

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拷贝构造函数

假设我们要用lt1去拷贝构造lt2。

• 传统写法：

我们首先复用empty_init对头结点进行初始化，接着遍历lt1的元素，在遍历的过程中将lt1的元素尾插到lt2上即可。接着使用push_back自动开辟空间完成深拷贝。

//传统写法
list(const list& lt)
{
	//先初始化lt2
	empty_init();
	//遍历lt1，把lt1的元素push_back到lt2里面
	for (auto e : lt)
	{
		push_back(e); //自动开辟新空间，完成深拷贝
	}
}

• 现代写法：

这里我们先初始化lt2，然后把lt1引用传参传给lt，传lt的迭代器区间构造tmp，复用swap交换头结点指针即可完成深拷贝的现代写法。

//现代写法
list(const list& lt)
{
	//先进行初始化
	empty_init();

	listtmp(lt.begin(), lt.end());  //用迭代器区间去构造tmp
	swap(tmp);
}

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赋值运算符重载函数 

对于赋值运算符的重载，我们仍然提供两种写法：

• 传统写法

先调用clear函数将原容器清空，然后再将lt当中的数据通过遍历的方式一个个尾插到清空后的容器当中即可。

//传统写法
list& operator=(const list& lt)
{
	if (this != <) //避免自己给自己赋值
	{
		clear();  //清空容器
		for (const auto& e : lt)
		{
			push_back(e); //将容器lt当中的数据一个个尾插到链表后面
		}
	}
	return *this; //支持连续赋值
}

• 现代写法

利用编译器机制，故意不使用引用传参，通过编译器自动调用list的拷贝构造函数构造出一个list对象lt，然后调用swap函数将原容器与该list对象进行交换即可。

//现代写法
list& operator=(list lt) //编译器接收右值的时候自动调用其拷贝构造函数
{
	swap(lt); //交换这两个对象
	return *this; //支持连续赋值
}

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析构函数

我们可以先复用clear函数把除了头结点的所有结点给删除掉，最后delete头结点即可。

//析构函数
~list()
{
	clear();
	delete _head; //删去哨兵位头结点
	_head = nullptr;
}

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4.2、迭代器相关函数

begin和end

• begin的作用是返回第一个位置的结点的迭代器，而第一个结点就是哨兵位头结点的下一个结点。因此我们直接返回_head的_next即可。
• end的作用是返回最后一个有效数据的下一个位置的迭代器，对于list指的就是哨兵位头结点_head的位置。

begin和end均分为普通对象调用和const对象调用，因此我们要写两个版本。

• 普通对象调用

//begin
iterator begin() //begin返回的就是第一个有效数据，即头结点的下一个结点
{
	return iterator(_head->_next);
	//return _head->_next;
}

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

• const对象调用

//begin
const_iterator begin() const
{
	return const_iterator(_head->_next);
	//return _head->_next; 
}
//end
const_iterator end() const
{
	return const_iterator(_head);
	//return _head;  也可以这样写
}

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rbegin和rend

rbegin就是正向迭代器里的end()位置，rend就是正向迭代器里的begin()位置。

rbegin和rend同样分为普通对象调用和const对象调用：

• 普通对象调用 

//rbegin()
reverse_iterator rbegin()
{
	return reverse_iterator(end());
}
//rend
reverse_iterator rend()
{
	return reverse_iterator(begin());
}

• const对象调用

//const反向迭代器
const_reverse_iterator rbegin() const
{
	return const_reverse_iterator(end());
}
const_reverse_iterator rend() const
{
	return const_reverse_iterator(begin());
}

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4.3、访问容器相关函数 

front和back

front和back函数分别用于获取第一个有效数据和最后一个有效数据，因此在实现front和back函数时，直接返回第一个有效数据和最后一个有效数据的引用即可。

• 普通对象调用

//front
T& front()
{
	return *begin(); //直接返回第一个有效数据的引用
}
T& back()
{
	return *(--end()); //返回最后一个有效数据的引用
}

• const对象调用

const T& front() const
{
	return *begin(); //直接返回第一个有效数据的引用
}
const T& back() const
{
	return *(--end()); //返回最后一个有效数据的引用
}

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4.4、增加的相关函数 

insert

实现insert首先创建一个新的结点存储插入的值，接着取出插入位置pos处的结点指针保存在cur里面，记录cur的上一个结点位置prev，先衔接prev和newnode，再链接newnode和cur即可，最后返回新插入元素的迭代器位置。

• list的insert不存在野指针失效的迭代器失效问题。

//头插
void push_front(const T& x)
{
	insert(begin(), x);
}
//insert，插入pos位置之前
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	Node* newnode = new Node(x);//创建新的结点
	Node* cur = pos._node; //迭代器pos处的结点指针
	Node* prev = cur->_prev;
	//prev newnode cur
	//链接prev和newnode
	prev->_next = newnode;
	newnode->_prev = prev;
	//链接newnode和cur
	newnode->_next = cur;
	cur->_prev = newnode;
	//返回新插入元素的迭代器位置
	return iterator(newnode);
}

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push_back尾插

• 法一

首先要创建一个新结点用来存储尾插的值，接着找到尾结点。将尾结点和新结点前后链接并将头结点和新结点前后链接构成循环即可。

//尾插
void push_back(const T& x)
{
	Node* tail = _head->_prev; //找尾
	Node* newnode = new Node(x); //创建一个新的结点
	//_head tail newnode
	//链接tail和newnode
	tail->_next = newnode;
	newnode->_prev = tail;
	//链接newnode和头结点_head
	newnode->_next = _head;
	_head->_prev = newnode;
}

• 法二

这里也可以直接复用insert函数，当insert中的pos位置为哨兵位头结点的位置时，实现的就是尾插。

//尾插
void push_back(const T& x)
{
	//法二：复用insert
	insert(end(), x);
}

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push_front头插 

直接复用insert函数，当pos位置为begin()时，获得的pos就是第一个有效结点数据，即可满足头插。

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

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4.5、删除的相关函数 

erase

erase删除的是pos位置的结点。我们首先取出pos位置的结点指针cur，记录cur上一个结点位置为prev，再记录cur下一个结点位置为next，链接prev和next，最后delete释放掉cur的结点指针即可。返回删除元素后一个元素的迭代器位置。

//erase
iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos != end());
	Node* cur = pos._node;
	Node* prev = cur->_prev;
	Node* next = cur->_next;
	//prev cur next
	//链接prev和next
	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;
	//delete要删除的结点
	delete cur;
	//返回删除元素后一个元素的迭代器位置
	//return next;
	return iterator(next);
}

---

pop_back尾删 

直接复用erase即可，当pos位置为--end()时，pos就是最后一个结点的位置，实现的就是尾删。

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

---

pop_front头删 

直接复用erase即可，当pos位置为begin()时，pos就是第一个有效数据，实现的就是头删。

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

---

4.6、其他函数

size

size函数用于获取当前容器当中的有效数据个数，因为list是链表，所以我们只能通过遍历的方式逐个统计有效数据的个数。

//size
size_t size()const
{
	size_t sz = 0; //统计有效数据个数
	const_iterator it = begin(); //获取第一个有效数据的迭代器
	while (it != end()) //通过遍历统计有效数据个数
	{
		sz++;
		it++;
	}
	return sz; //返回有效数据个数
}

---

resize

 resize函数的规则：

• 若当前容器的size小于所给n，则尾插结点，直到size等于n为止。
• 若当前容器的size大于所给n，则只保留前n个有效数据。

当我们实现resize函数时，我们不要直接调用size函数获取当前容器的有效数据个数，因为当我们调用resize函数后就已经遍历了一次容器。如果结果是size大于n，那么还需要遍历容器，找到第n个有效结点并释放之后的结点。

这里实现resize的方法是：设置一个变量len，用于记录当前所遍历的数据个数，然后开始遍历容器，在遍历的过程中：

1. 当len大于或者是等于n时遍历结束，此时说明该结点后的结点都应该被释放，将之后的结点释放即可。
2. 遍历完容器，此时说明容器当中的有效数据个数小于n，则需要尾插结点，直到容器当中的有效数据个数为n时停止尾插即可。

void resize(size_t n, const T& val = T())
{
	iterator i = begin();  //获取第一个有效数据的迭代器
	size_t len = 0;  //记录当前所遍历的数据个数
	while (len < n && i != end())
	{
		len++;
		i++;
	}
	if (len == n) //说明容器当中的有效数据个数大于或者是等于n
	{
		while (i != end()) //只保留前n个有效数据
		{
			i = erase(i); //接收下一个数据的迭代器
		}
	}
	else  //说明容器当中的有效数据个数小于n
	{
		while (len < n)
		{
			push_back(val);
			len++;
		}
	}
}

---

clear 

clear函数用于清空容器，我们通过遍历的方式，逐个删除结点，只保留头结点即可。

void clear()
{
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		it = erase(it); //用it接收删除后的下一个结点的位置
	}
}

---

empty

empty函数用于判断容器是否为空，我们直接判断该容器的begin函数和end函数所返回的迭代器是否是同一个位置的迭代器即可。(此时说明容器当中只有一个头结点)

bool empty()const
{
	return begin() == end(); //判断是否只有头结点
}

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empty_init空初始化

 该函数的作用是哨兵位的头结点开出来，再对其进行初始化。该函数是库里面的。

//空初始化  对头结点进行初始化
void empty_init()
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
}

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swap交换 

对于链表的swap，我们直接交换头结点指针的指向即可完成。直接复用库函数的swap即可。

//swap交换函数
void swap(list& lt)
{
	std::swap(_head, lt._head);//交换头指针
}