C++：list使用以及模拟实现

list介绍

1. list是一个类模板，加<类型>实例化才是具体的类。
2. list是可以在任意位置进行插入和删除的序列式容器。
3. list的底层是双向循环链表结构，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。
4. 与其他序列式容器相比，list最大的缺陷是不支持任意位置的随机访问，比如访问第六个节点，必须从已知节点迭代到该节点。

双向链表图解：

list常用接口

1.构造

函数	功能
list (size_type n, const value_type& val = value_type())	构造的list中包含n个值为val的节点
list()	构造空的list
list (const list& x)	拷贝构造
list (InputIterator first, InputIterator last)	迭代器区间初始化 (模板，可以传入其它容器的迭代器区间)

2.迭代器

函数	功能
begin()加end()	获取第一个数据位置的iterator/const_iterator，获取最后一个数据的下一个位置的iterator/const_iterator
rbegin()加rend()	反向迭代器，获取最后一个数据位置的reverse_iterator，获取第一个数据前一个位置的reverse_iterator

3.容量

函数	功能
size()	获取有效数据个数
empty()	判断是否为空(size为0为空，返回true)

4.访问数据

函数	功能
front()	取到头节点数据的引用
back()	返回尾节点数据的引用

5.增删查改

函数	功能
push_front (const value_type& val)	头插数据val
push_back (const value_type& val)	尾删数据val
pop_front()	头删
pop_back()	尾删
insert (iterator position, const value_type& val)	在position位置中插入值为val的元素
erase (iterator position)	删除position位置的元素
swap(list& x)	交换两个list
clear()	清空有效数据

6.迭代器失效

       迭代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。

#include
#include
using namespace std;

//错误代码演示
int main()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
	list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	auto it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		// erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除
		//因此it无效，在下一次使用it时，必须先给其赋值
		it = l.erase(it); //只需要去掉++it,这里修改成it = erase(it)即可
		++it;
	}
	return 0;
}

list模拟实现

1.迭代器的实现

      有别于vector，list的迭代器并不是一个原生的指针，因为使用者需要得到的是节点中的数据而不是整个节点，而且寻找下一个节点并不能通过指针简单的++，所以需要把迭代器单独封装成一个类，通过重载*等运算符来完成需求。

namespace MyList
{
	//节点设计成结构体,方便访问
	template<typename T>
	struct list_node
	{
		list_node(const T val = T())
			:_data(val)
			, _next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
		{}
		T _data;
		list_node<T>* _next;
		list_node<T>* _prev;
	};

	//迭代器
	//这里设计模板参数除了迭代器，还有Ref(引用)和Ptr(指针)
	//这样设计是为了同时生成普通迭代器和const对象的迭代器
	//普通对象（可读可写）：iterator
	//const对象（可读不可写）：const_iterator
	template<typename T, typename Ref, typename Ptr>
	struct __list_iterator
	{
		typedef list_node<T> Node;
		typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self; //要返回迭代器需要返回实例化对象，重命名一下

		Node* _node;

		__list_iterator(Node* p)
			:_node(p)
		{}

		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}
		
		//后置++
		self operator++(int)
		{
			self tmp(*this);
			_node = _node->_next;
			return tmp;
		}

		self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		self operator--(int)
		{
			self tmp(*this);
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}

		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

		//返回指针可以让自定义类型自行打印，访问成员
		//->操作符，比较特殊，it->_num转换出来其实是it.operator->()->_num
		Ptr operator->()
		{
			return &(_node->_data);
		}

		bool operator!=(const self& s)
		{
			return _node != s._node;
		}

		bool operator==(const self& s)
		{
			return _node == s._node;
		}
	};

	//反向迭代器
	//反向迭代器需要进行封装，其实就是复用普通迭代器，然后++和--操作反过来
	
	//普通对象（可读可写）：Reverse_iterator
	//const对象（可读不可写）：Reverse_iterator
	template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
	struct Reverse_iterator
	{
		typedef Reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> self;
		Iterator _it;

		//构造
		Reverse_iterator(Iterator it)
			:_it(it)
		{}


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


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


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


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


		Ref operator*()
		{
			return *_it;
		}


		Ptr operator->()
		{
			return _it;
		}


		bool operator!=(const self& s)
		{
			return _it != s._it;
		}


		bool operator==(const self& s)
		{
			return _it == s._it;
		}
	};
}

2.完整代码

#pragma once
#include
using namespace std;

namespace MyList
{
	//节点设计成结构体,方便访问
	template<typename T>
	struct list_node
	{
		list_node(const T val = T())
			:_data(val)
			, _next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
		{}
		T _data;
		list_node<T>* _next;
		list_node<T>* _prev;
	};

	//迭代器
	//这里设计模板参数除了迭代器，还有Ref(引用)和Ptr(指针)
	//这样设计是为了同时生成普通迭代器和const对象的迭代器
	//普通对象（可读可写）：iterator
	//const对象（可读不可写）：const_iterator
	template<typename T, typename Ref, typename Ptr>
	struct __list_iterator
	{
		typedef list_node<T> Node;
		typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self; //要返回迭代器需要返回实例化对象，重命名一下

		Node* _node;

		__list_iterator(Node* p)
			:_node(p)
		{}

		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		self operator++(int)
		{
			self tmp(*this);
			_node = _node->_next;
			return tmp;
		}

		self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		self operator--(int)
		{
			self tmp(*this);
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}

		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

		//返回指针可以让自定义类型自行打印，访问成员
		//->操作符，比较特殊，it->_num转换出来其实是it.operator->()->_num
		Ptr operator->()
		{
			return &(_node->_data);
		}

		bool operator!=(const self& s)
		{
			return _node != s._node;
		}

		bool operator==(const self& s)
		{
			return _node == s._node;
		}
	};

	//反向迭代器
	//反向迭代器需要进行封装，其实就是复用普通迭代器，然后++和--操作反过来
	
	//普通对象（可读可写）：Reverse_iterator
	//const对象（可读不可写）：Reverse_iterator
	template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
	struct Reverse_iterator
	{
		typedef Reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> self;
		Iterator _it;


		Reverse_iterator(Iterator it)
			:_it(it)
		{}


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


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


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


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


		Ref operator*()
		{
			return *_it;
		}


		Ptr operator->()
		{
			return _it;
		}


		bool operator!=(const self& s)
		{
			return _it != s._it;
		}


		bool operator==(const self& s)
		{
			return _it == s._it;
		}
	};

	template<typename T>
	class list
	{
		typedef list_node<T> Node;

	public:
		typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
		typedef Reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
		typedef Reverse_iterator< const_iterator, const T&, const T*> reverse_const_iterator;


		//迭代器部分
		iterator begin()
		{
			return _head->_next;
		}

		iterator end()
		{
			return _head;
		}

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

		const_iterator end()const
		{
			return _head;
		}

		reverse_iterator rbegin()
		{
			return (--end());//_head->_prev
		}

		reverse_iterator rend()
		{
			return (end());//_head
		}

		reverse_const_iterator rbegin()const
		{
			return (--end());//_head->_prev
		}

		reverse_const_iterator rend()const
		{
			return (end());//_head
		}

		/// //
		/// 
	private:
		//不希望外界调用，设计成私有
		void empty_init()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
			_size = 0;
		}
	public:
		//构造、析构部分
		list()
		{
			empty_init();
		}

		list(size_t n, const T& value = T())
		{
			empty_init();
			while (n--)
			{
				push_back(value);
			}
		}

		//重载给内置类型使用,整形默认是int，不写这个会优先匹配list(Iterator first, Iterator last)
		list(int n, const T& value = T())
		{
			empty_init();
			while (n--)
			{
				push_back(value);
			}
		}

		//迭代器区间初始化
		template <class Iterator>
		list(Iterator first, Iterator last)
		{
			empty_init();
			while(first != last)
			{
				push_back(*first);
				first++;
			}
		}

		list(const list<T>& lt)
		{
			empty_init();
			for (auto e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}

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


		//其它
		void swap(list<T> lt)
		{
			std::swap(_size, lt._size);
			std::swap(_head, lt._head);
		}

		//使用传之传参，直接拷贝一份交换操作的底层空间就好
		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}

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

	
		/// /
		/

		//访问头，尾数据
		T& front()
		{
			return _head->_next->_data;
		}

		const T& front()const
		{
			return _head->_next->_data;
		}

		T& back()
		{
			return _head->_prev->_data;
		}

		const T& back()const
		{
			return _head->_prev->_data;
		}



		/// //
		/// 

		//增加删除部分
		void push_back(const T& val)
		{
			insert(end(), val);
		}

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

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

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

			++_size;
			return newnode;
		}

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

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

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

			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete cur;

			--_size;
			return next;
		}

		//获取有效数据量
		size_t size()
		{
			return _size;
		}

	private:
		Node* _head;  //这里存储卫兵节点，因为底层是双向循环链表，可以找到头和尾
		size_t _size; //只需要在insert和erase里面加减就可以
	};

}