模拟实现list

list的实现结构

STL库中的list的结构是双向循环链表，所以我们这里也实现一个双向循环链表

我们这里采取带头双向循环链表

为了方便节点间的操作，可以将节点封装成一个结构体

list中的迭代器是双向迭代器，只支持++和--操作，不支持+,-,所以不能用一个指针用作迭代器，所以还需要将迭代器封装成一个结构体，在结构体中对迭代器的一些操作进行实现

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节点的实现

template<class T>
	struct __list_node
	{
		__list_node<T>* _next;
		__list_node<T>* _prev;
		T _val;


		__list_node(const T& val = T())
			:_next(nullptr)
			,_prev(nullptr)
			,_val(val)
		{}

	};

主义，这是一个类模板，类名是__list_node，类型是__list_node
所以2个指针_next，_prev的类型是__list_node，分别指向前一个节点和后一个节点

现在，我们就可以把头节点作在为ist类中的成员变量

节点的类型为__list_node，比较麻烦，这里我们可以 typedef __list_node Node

因为在类外我们不会直接用到Node，所以把typedef __list_node Node放到private中就可以

同时实现构造函数，让_head的_next指向自己，_prev也指向自己

template<class T >
	class list
	{
		typedef __list_node<T> Node;
	public:
		list()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
	private:
		Node* _head;
	};

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迭代器的实现

list的迭代器是双向迭代器，只支持++和--操作，不支持+,-
所以不能只是简单的服用指针
要对指针进行封装，在结构体中实现++,--,*,->等操作

第一个模板参数T

list迭代器的底层其实还是Node*类型的指针

	template<class T>
	struct __list__iterator
	{
		typedef __list_node<T> Node;
		typedef __list__iterator<T> Iter;
		__list__iterator(Node* pnode)
			:_pnode(pnode)
		{}

		Node* _pnode;
	};

因为总使用__list_node和__list__iterator比较麻烦，所以typedef __list_node Node; typedef __list__iterator Iter;

++操作实际上的底层是当前迭代器指向当前指向节点的下一个节点
--操作实际上的底层是当前迭代器指向当前指向节点的前一个节点

所以下面就可以实习++,--操作

Iter& operator++()
{
	_pnode = _pnode->_next;
	return *this;
}

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

Iter& operator--()
{
	_pnode = _pnode->_prev;
	return *this;
}

Iter operator--(int)
{
	Iter tmp(*this);
	_pnode = _pnode->_prev;
	return tmp;
}

解引用操作也就是返回迭代器指向节点中的值

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

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

!=和==就是比较迭代器下面的指针

bool operator!=(const Iter it)
{
	return _pnode != it._pnode;
}

bool operator==(const Iter it)
{
	return _pnode == it._pnode;
}

接下来在list中实现begin()和end()函数
__list__iterator麻烦，typedef成iterator

typedef __list__iterator<T> iterator;

我们需要在类外使用到iterator，所以这句typedef要放到public中

list的结构如下：

因为begin()返回的是指向第一个有效节点的迭代器，所以_head->_next就是第一个有效节点

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

end()返回的是最后一个节点的下一个位置，这里最后一个节点的下一个位置就是_head

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

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第二个模板参数Ref

现在有一个问题，就是如何实现const_iterator，在前面iterator的基础上，我们可以在封装一个const_iterator的结构体，其中的返回值改为const T&或const T*

但是再封装一个，就会导致代码冗余

这里我们引入第二个模板参数class Ref
这个参数是用来接收返回引用的类型的可以是T&也可以是const T&

所以这时的*重载返回值就是Ref了

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

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第三个模板参数Ptr

同理，对于->重载的返回类型是指针
引入第三个模板参数Ptr

它是用来接收T*和const T*的

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

现在就可以在list中实现cbegin和cend1了

首先还是将typedef出iterator和const_iterator

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

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

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

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实现list中的接口函数

插入和删除

这里的insert和erase的实现和C语言中实现链表的操作一样，比较容易

这里唯一需要注意的是：insert函数返回插入新节点的迭代器，erase函数返回删除节点后，删除节点下一个节点位置的迭代器

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

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

	_size++;

	return newnode;
}

iterator erase(iterator it)
{
	assert(it != _head);//需要检查一下it是否是头节点位置的迭代器，头节点不能删除
	Node* del = it._pnode;
	Node* prev = it._pnode->_prev;
	Node* nex = it._pnode->_next;

	prev->_next = nex;
	nex->_prev = prev;
	_size--;

	delete del;
	return nex;
}

实现了insert和erase后，通过复用这两个函数，就可以实现push_back,push_front,pop_back,pop_front函数了

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

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

void pop_back()
{
	erase(_head->_prev);
}

void pop_front()
{
	erase(_head->_next);
}

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赋值重载和拷贝构造

赋值重载的实现，可以使用现代写法，和在vector中赋值重载的写法类似，使用swap

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

//赋值重载现代写法
list<T> operator=(list<T> lt)	
{
	swap(lt);
	return *this;
}

拷贝构造，我们先构造出一个list，然后用push_back向里面插入节点

//拷贝构造
list(const list<T>& lt)
{
	_head = new Node;
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	_size = 0;

	for (auto& e : lt)
	{
		push_back(e);

	}

}

这里有一点：
库中复制拷贝和运算符重载中参数列表中形参类型不是list，而是list类型没有指定后面的模板参数

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析构函数

析构函数需要清理空间，对于链表来说，我们不能只清理头节点
我们需要清理掉有有效节点后，最后清理掉头节点

这里我们定义一个清理掉有有效节点的函数
使用erase+循环清理节点

void clear()
{
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		it = erase(it);
	}
	_size = 0;
}

然后在销毁函数中调用clear函数，再清理掉头节点

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

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总结

此时，list的模拟实现就基本完成了

• list的模拟实现中，有难度的地方就是把指针封装成迭代器，在封装中实现以及限制了迭代器的作用
• 对于复杂类型，我们可以typedef出一个简单的别名，对于这个别名,如果要在类外使用就定义在public里，如果不允许在类外使用，就定义在private中

完整代码：

namespace my_list
{
	template<class T>
	struct __list_node
	{
		__list_node<T>* _next;
		__list_node<T>* _prev;
		T _val;


		__list_node(const T& val = T())
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _val(val)
		{}

	};


	//typedef __list__iterator iterator;
	//typedef __list__iterator const_iterator;
	template<class T, class Ref, class Ptr>
	struct __list__iterator
	{
		typedef __list_node<T> Node;
		typedef __list__iterator<T, Ref, Ptr> Iter;

		__list__iterator(Node* pnode)
			:_pnode(pnode)
		{}

		Node* _pnode;

		bool operator!=(const Iter it)
		{
			return _pnode != it._pnode;
		}

		bool operator==(const Iter it)
		{
			return _pnode == it._pnode;
		}

		Iter& operator++()
		{
			_pnode = _pnode->_next;
			return *this;
		}

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

		Iter& operator--()
		{
			_pnode = _pnode->_prev;
			return *this;
		}

		Iter operator--(int)
		{
			Iter tmp(*this);
			_pnode = _pnode->_prev;
			return tmp;
		}

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

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

	};


	template<class 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;

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

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

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

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

		void empty_init()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
			_size = 0;
		}

		list()
		{
			empty_init();
		}

		list(size_t n, const T& val = T())
		{
			empty_init();
			for (int i = 0; i < n; i++)
			{
				push_back(val);
			}
		}

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

		//拷贝构造
		list(const list<T>& lt)
			//list(const list& lt)   //库中的拷贝构造是这么定义的，list类型没有指定后面的模板参数
		{
			empty_init();

			for (auto& e : lt)
			{
				push_back(e);

			}

		}

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

		//赋值重载现代写法
		list<T> operator=(list<T> lt)
			//list operator=(list lt)  //库中的赋值重载是这么定义的，list类型没有指定后面的模板参数
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}

		size_t size() const
		{
			return _size;
		}

		bool empty() const
		{
			if (_head->_next == _head || _head->_prev == _head)
				return true;
			else
				return false;
		}

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

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

			_size++;

			return newnode;
		}

		iterator erase(iterator it)
		{
			assert(it != _head);//需要检查一下it是否是头节点位置的迭代器，头节点不能删除
			Node* del = it._pnode;
			Node* prev = it._pnode->_prev;
			Node* nex = it._pnode->_next;

			prev->_next = nex;
			nex->_prev = prev;
			_size--;

			delete del;
			return nex;
		}


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

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

		void pop_back()
		{
			erase(_head->_prev);
		}

		void pop_front()
		{
			erase(_head->_next);
		}

		void print()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				std::cout << *it << " ";
				it++;
			}
			std::cout << std::endl;

		}

		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);//经过erase后的迭代器会失效，为了让循环继续下去，用it接收erase返回的迭代器(删除位置迭代器的下一个位置的迭代器)

			}
			_size = 0;
		}

	private:
		Node* _head;
		size_t _size; //加一个_size成员变量，如果不设置_size，在实现size()函数时就需要遍历list，时间复杂度为O(n)
	};

}