list【2】模拟实现（含迭代器实现超详解哦）
模拟实现list
- 引言（实现概述）
- list迭代器实现
-
- 默认成员函数
- operator* 与 operator->
- operator++ 与 operator--
- operator== 与 operator!=
- 迭代器实现概览
- list主要接口实现
-
- 默认成员函数
-
- 构造函数
- 析构函数
- 赋值重载
- 迭代器
- 容量
- 元素访问
- 数据修改
-
- insert
- erase
- push_back 与 push_front
- pop_back 与 pop_front
- clear
- swap
- 源码概览
- 总结
引言（实现概述）
在前面，我们介绍了list的使用：
戳我看list的介绍与使用详解哦
在本篇文章中将重点介绍list的接口实现，通过模拟实现可以更深入的理解与使用list
我们模拟实现的 list 底层是一个带头双向循环链表
在实现list时，我们首先需要一个结构体以表示链表中结点的结构list_node，大致包括数据与指向前后结点的指针：
template<class T>
struct list_node //结点类
{
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
T _date;
list_node(const T& date = T()) //匿名对象
: _prev(nullptr)
, _next(nullptr)
, _date(date)
{}
};
在有了结点之后，还需要一个 list类，包括双向链表的头结点指针_pHead，链表中的元素个数_size：
template<class T>
class list //带头双向循环链表
{
typedef list_node<T> Node;
private:
Node* _pHead;
size_t _size;
};
大致结构如下：
关于带头双向循环链表的实现可以参考之前的C语言版本实现，在本篇文章中结构将不是最重点的内容：戳我看C语言实现带头双向循环链表详解哦
与vector相同，list是一个类模板，其声明与定义不能分离。我们将模拟实现的list放在我们创建的命名空间内，以防止与库发生命名冲突。
在list的模拟实现中，我们只实现一些主要的接口，包括默认成员函数、迭代器、容量、元素访问与数据修改：
list迭代器实现
与vector不同，list的迭代器是指针的封装，通过运算符重载来实现原生指针的功能。
我们可以通过封装结点的指针，即list_node，来实现迭代器：
默认成员函数
对于默认成员函数，其实我们只需要实现构造函数即可，这个__list_iterator类的属性只有一个结构体指针，并不存在类中申请的资源，所以编译器生成的析构函数与赋值运算符重载就够用了，不需要再实现了。
- 默认构造
对于默认构造函数，我们可以使用缺省参数，即参数类型为结构体指针，缺省值为nullptr。
直接在初始化列表中用参数初始化类属性即可：
__list_iterator(Node* pNode = nullptr)
:_pNode(pNode)
{}
- 拷贝构造
对于拷贝构造，参数必须是类类型的引用，可以加上const修饰（我们可以在类中将类类型__list_iterator重命名为self，以方便书写）
在函数中直接赋值即可：
__list_iterator(const self& it)
{
_pNode = it._pNode;
}
operator* 与 operator->
迭代器使用时应该是与指针基本类似的，所以也需要重载*与->。
- 重载
*
指针当然可以进行解引用的操作，指向容器中元素的指针。对这个指针进行解引用操作结果就应该是该指针指向的元素。对于list的迭代器而言，解引用该迭代器的结果就应该是结点中的_data元素的引用，类型为&T：
（我们可以为模板参数加上一个参数，即Ref，它表示T&）
Ref operator*()
{
return _pNode->_date;
}
- 重载
->
当T是自定义类型时，其指针还可以通过->直接访问到T类型对象_data中的元素，起指针作用的迭代器自然也需要实现这个功能。
但是对于这个运算符重载而言，它并不知道要返回T类型对象中的什么元素，所以这个operator->函数可以直接返回该迭代器对应的结点中的_data元素的指针，然后在调用的时候再通过->来访问其中元素：it->->a;（通过迭代器it访问T类型对象中的a元素）。
但是，这样的形式访问又与指针的用法不一致，所以这里有一个特殊的规定，即规定需要使用it->a;的方式通过迭代器访问T类型对象中的元素，以获得与原生指针相同的使用方式：
（我们可以为模板参数加上一个参数，即Ptr，它表示T*）
Ptr operator->()
{
return &(_pNode->_date);
}
operator++ 与 operator–
- 重载
++
++操作即实现迭代器的指向向后移动一个元素，list的迭代器底层是一个结构体指针，所以只需要将当前_pNode->_next赋值给_pNode即可
且++分为前置++与后置++，在区别这两个的实现时，前面类和对象时已经详细介绍过了，即给后置++增加一个参数int，但是不传参，只用于区分前置与后置。
另外后置++需要创建临时对象，在*this++后必须要返回临时对象而非引用：
self& operator++()
{
_pNode = _pNode->_next;
return *this;
}
self operator++(int)
{
self temp(*this);
_pNode = _pNode->_next;
return temp;
}
- 重载
--
重载--与前面的++类似，即将_pNode->_prev赋值给_pNode即可：
self& operator--()
{
_pNode = _pNode->_prev;
return *this;
}
self operator--(int)
{
self temp(*this);
_pNode = _pNode->_prev;
return temp;
}
operator== 与 operator!=
对于==与!= 重载，即判断两个迭代器对象的属性是否相等即可：
bool operator==(const self& it)
{
return _pNode == it._pNode;
}
bool operator!=(const self& it)
{
return _pNode != it._pNode;
}
迭代器实现概览
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
Node* _pNode;
__list_iterator(Node* pNode = nullptr)
:_pNode(pNode)
{}
__list_iterator(const self& it)
{
_pNode = it._pNode;
}
Ref operator*()
{
return _pNode->_date;
}
Ptr operator->()
{
return &(_pNode->_date);
}
self& operator++()
{
_pNode = _pNode->_next;
return *this;
}
self operator++(int)
{
self temp(*this);
_pNode = _pNode->_next;
return temp;
}
self& operator--()
{
_pNode = _pNode->_prev;
return *this;
}
self operator--(int)
{
self temp(*this);
_pNode = _pNode->_prev;
return temp;
}
bool operator==(const self& it)
{
return _pNode == it._pNode;
}
bool operator!=(const self& it)
{
return _pNode != it._pNode;
}
};
list主要接口实现
在实现list之前，我们可以对一些较为麻烦的类型进行重命名以方便书写：
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
默认成员函数
构造函数
实现构造函数时，我们需要实现无参构造、n个指定元素构造、迭代器区间构造以及拷贝构造：
无参构造：
由于我们模拟实现的list底层为带头双向循环链表，所以在无参构造时虽然没有在list中放入元素，但是还使需要先放入一个空结点作为头节点。
创建头节点的操作在任何构造函数中都要先进行，所以我们将其封装为一个init_empty_list函数。这个初始化空list的函数需要new一个结点，然后使节点中的_prev与_next都指向它自身，最后将_size赋值为0：
void init_empty_list()
{
_pHead = new Node();
_pHead->_prev = _pHead;
_pHead->_next = _pHead;
_size = 0;
}
list()
{
init_empty_list();
}
n个指定元素构造：
使用n个指定元素构造有两个参数，第一个就是int，第二个是const T&，缺省值为T()
函数中，首先调用init_empty_list构建一个头结点；
再循环，使用push_bake尾插n个指定元素value即可（push_back后面会实现）：
list(int n, const T& value = T())
{
init_empty_list();
while (n--)
{
push_back(value);
}
}
迭代器区间构造：
是用迭代器区间构造函数是一个函数模板，可以使用任何容器的迭代器区间来构造list
函数中，首先调用init_empty_list构建一个头结点；
然后再循环，使用push_bake尾插first迭代器的解引用出的元素，当first与last相等时出循环：
template <class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{
init_empty_list();
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
拷贝构造：
拷贝构造函数的参数是一个const list
实现时，首先调用init_empty_list构建一个头结点；
然后范围for，使用push_bake将l中的元素逐一尾插到list中：
list(const list<T>& l)
{
init_empty_list();
for (auto el : l)
{
push_back(el);
}
}
析构函数
析构函数需要实现释放list中的资源。
首先复用clear，清空list中的元素。clear中会实现释放结点中的资源，后面部分会实现；
再delete _pHead;，释放头节点中的资源，它会调用结点结构体的析构函数：
~list()
{
clear();
delete _pHead;
}
赋值重载
对于赋值运算符重载，我们直接使用新写法，即先使用参数l创建一个临时对象；
然后使用swap将临时对象与*this交换（后面会实现swap函数）；
最后返回*this即可，创建的临时对象就会在函数栈帧销毁时自动释放：
list<T>& operator=(const list<T>& l) //list& operator=(const list l) 对于赋值重载，这样也可
{
list<T> temp(l);
swap(temp);
return *this;
}
迭代器
在前面已经实现了list的迭代器，它是结点指针的封装；
这里暂时只实现begin与end，关于反向迭代器的实现在后面会详细介绍。
begin返回首元素的地址，即头结点的下一个结点的地址；
end返回尾元素下一个位置的地址，即头节点的地址，他们分别重载有const版本：
iterator begin()
{
return iterator(_pHead->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_pHead);
}
const_iterator begin() const
{
return const_iterator(_pHead->_next);
}
const_iterator end() const
{
return const_iterator(_pHead);
}
容量
在容器部分，由于list并没有容量的概念，所以我们只需要实现size与empty即可；
我们在list的属性中，我们设置了_size，在插入元素时_size++，删除元素时_size--，所以这里只需要返回_size的值即可；
当_size == 0时，list为空，empty返回true，否者返回false：
size_t size() const
{
return _size;
}
bool empty() const
{
if (_size == 0)
return true;
else
return false;
}
元素访问
由于list在任意位置访问元素的成本较高，就没有提供operator[]的接口，所以我们只需要实现front与back即可。分别返回首尾的元素，有普通对象与const对象两个重载版本：
在实现时，我们可以借助list的属性_pHead，即头结点的指针来访问首尾元素：
我们模拟实现list的底层是带头双向循环链表，所以list中的第一个元素就是_pHead->_next指向的结点中的元素；list中的_pHead->_prev指向的结点中的元素：
front只需要返回 _pHead->_next->_date 即可；
back返回_pHead->_prev->_date即可，返回值类型为T&，const版本就返回const T&即可：
T& front()
{
return _pHead->_next->_date;
}
const T& front()const
{
return _pHead->_next->_date;
}
T& back()
{
return _pHead->_prev->_date;
}
const T& back()const
{
return _pHead->_prev->_date;
}
数据修改
insert
list 的结构使在任意位置插入数据的效率是较高的，只需要创建结点，再链接到pos位置前即可：
在实现insert时，首先new一个结点，类型为Node，并用val初始化（这个Node类型是前面重命名后的类型）；
这时我们需要记录pos位置的结点指针为cur，pos位置前面的结点指针为prev，以方便后续链接；
然后将pos结点的前一个结点与新结点链接，即newnode与prev链接；
再将pos结点与新结点链接，即newnode与cur链接；
最后，更新_size，并返回新结点的迭代器：
// 在pos位置前插入值为val的节点
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
Node* newnode = new Node(val);
Node* cur = pos._pNode;
Node* prev = cur->_prev;
newnode->_prev = prev;
prev->_next = newnode;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
++_size;
return iterator(newnode);
}
erase
erase实现时，只需要释放pos位置的结点，并链接剩余的结点即可：
首先assert判断list是否为空；
这时我们需要记录pos位置的结点指针为cur，pos位置前面的结点指针为prev，pos的后一个结点指针为next，以方便后续链接；
然后直接链接pos位置的前一个结点与后一个结点，即链接prev与next即可；
最后，释放cur指向的结点，更新_size，并返回next：
// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos)
{
assert(!empty());
Node* cur = pos._pNode;
Node* prev = cur->_prev;
Node* next = cur->_next;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete cur;
--_size;
return iterator(next);
}
push_back 与 push_front
对于头插与尾插的实现，复用insert即可：
push_front，即在首结点的前面一个位置插入一个元素，即在begin()迭代器位置插入；
push_back，即在尾结点的后一个位置插入一个元素，即在end()位置插入：
void push_back(const T& val)
{
insert(end(), val);
}
void push_front(const T& val)
{
insert(begin(), val);
}
pop_back 与 pop_front
对于头删尾删的实现，复用erase即可：
pop_front，即删除头节点，即 erase删除begin()位置的结点 即可；
pop_back，删除尾结点，即 erase删除end()前面一个结点即可，但是由于list迭代器不支持-操作，所以这里传参为--end()：
void pop_front()
{
erase(begin());
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
clear
clear用于清理list中的所有元素，可以直接复用erase来实现清理：
我们可以通过遍历迭代器的方式逐一释放结点：
令it的初始值为begin()，循环逐一erase删除，当it等于end()的时候终止循环，就可以实现删除所有结点并保留头节点；
另外，由于erase删除某节点后，会返回删除节点的下一个位置，所以只要把返回值载赋值给it就实现了迭代器的向后移动：
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);//erase返回删除的结点的下一个位置的迭代器
}
}
swap
实现list的交换函数时，只需要使用库swap交换list的属性即可，即交换_pHead与_size：
void swap(list<T>& l)
{
std::swap(_pHead, l._pHead);
std::swap(_size, l._size);
}
源码概览
（关于反向迭代器的实现在后面会详细介绍，现在可以暂时忽略）
#include总结
到此，关于list的模拟实现就到此结束了
模拟实现容器并不是为了造一个更好的轮子，而是为了更好的理解与使用容器
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