C++：list？自己模拟实现！

目录

1.list的模拟实现 

1.1 成员变量和节点 

1.2 迭代器实现

1.2.1 非const的迭代器

1.2.2 const的迭代器

1.2.3 一个模板实现 const 与 非const 迭代器 

1.3 增删改查的实现

1.4 拷贝构造函数，析构函数与赋值运算符重载

1.5 泛型编程实现打印

2. list 反向迭代器的实现

3.list 和 vector 的对比 

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1.list的模拟实现 

要模拟实现list，必须要熟悉list的底层结构以及其接口的含义，通过上一篇的学习，这些内容已基本掌握，现在我们来模拟实现list。

1.1 成员变量和节点 

首先，这里 list 设置成两个成员变量，_head 和 _size， _head用来指向头节点，_size用来记录list有多少个元素。然后还需要自定义list节点的类型。

    template<class T>struct list_node//节点类{T _data;list_node<T>* _next;list_node<T>* _prev;list_node(const T& x = T())//构造函数:_data(x), _next(nullptr), _prev(nullptr){}};template<class T>class list//list类{typedef list_node<T> Node;void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}list()//构造函数{empty_init();}private:Node* _head;size_t _size;};

1.2 迭代器实现

在vector中，我们可以迭代器直接利用原生指针来实现，而在list中因为所使用的空间并不是连续的，我们需要对迭代器进行封装，内部存放一个Node* 类型的指针，运算符重载一些要使用的操作。

迭代器要使用的操作

1. ++ / --
2. *   ->
3.  != / ==

1.2.1 非const的迭代器

	template<class T>struct __list_iterator{typedef list_node<T> Node;typedef __list_iterator<T> self;Node* _node;__list_iterator(Node* node = nullptr):_node(node){}T& operator*(){return _node->_data;}T* operator->()//为数据存放的是自定义类型准备的。{return &_node->_data;}};

1.2.2 const的迭代器

 const 迭代器要保证指向的内容不能被修改，而不是简单的在非const 迭代器前加上一个const，这样只是保证了迭代器不能被改变，不能进行++操作，所以必须再实现一个const类型迭代器。

template<class T>struct __list_const_iterator{typedef list_node<T> Node;typedef __list_const_iterator<T> self;Node* _node;__list_const_iterator(Node* node = nullptr):_node(node){}//*it = 10;const T& operator*(){return _node->_data;}//it->a1 = 10;const T* operator->()//为数据存放的是自定义类型准备的。{return &_node->_data;}};

1.2.3 一个模板实现 const 与 非const 迭代器 

 可以发现上面两个迭代器只有 * -> 返回值不一样，写起来比较繁琐，我们可以用一个模板实现。

//const_iterator 和 iterator需要实现两个类，太繁琐// 可以利用模板实现//同一个类模板，模板参数不容类型不同//实例化的参数不容，类型完全不同，template<class T, class Ref, class Ptr>struct __list_iterator{typedef list_node<T> Node;typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;Node* _node;__list_iterator(Node* node = nullptr):_node(node){}self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}self operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->()//为数据存放的是自定义类型准备的。{return &_node->_data;}bool operator!=(const self& it){return _node != it._node;}bool operator==(const self& it){return _node == it._node;}};

list类中使用迭代器：

public:/*typedef __list_iterator<T> iterator;typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;*/typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;iterator begin(){return _head->_next;//node指针，单参数构造函数，隐式类型转换}iterator end(){return _head;}//const迭代器   //const iterator 是修饰的是迭代器本身，迭代器就不能++了，//const迭代器的目的是让内容不能被修改//const_iterator 与iterator是两种完全不同的类型，没有什么关系//const_iterator 是重新定义的类型。本身可以修改，指向的内容不能修改const_iterator begin()const {return _head->_next;//node指针，单参数构造函数，隐式类型转换}const_iterator end()const{return _head;}

1.3 增删改查的实现

第一步我们来模拟实现insert 和 erase，实现这个接口后，我们其他插入删除操作可以通过嵌套这两个函数实现，这里使用到了链表的知识，不理解的可以画一下图。

        iterator insert(iterator pos,const T& val){Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* newnode = new Node(val);//prev -> newnode -> curnewnode->_next = cur;newnode->_prev = prev;prev->_next = newnode;cur->_prev = newnode;_size++;return iterator(newnode);//构造一个iterator的匿名对象返回，//也可以直接返回newnode，进行隐式类型转换}iterator erase(iterator pos)//迭代器会失效{if(_head->_next!=_head){Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;//prev -> nextprev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;_size--;return iterator(next);}}void push_back(const T& x){	insert(end(), x);}void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}void pop_back(){erase(--end());}void pop_front(){erase(begin());}void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}

1.4 拷贝构造函数，析构函数与赋值运算符重载

这里实现构造函数，析构函数，与赋值运算符重载。通过嵌套可以实现的更简洁。

        list(const list<T>& l){empty_init();for (auto e : l){push_back(e);}}void swap(list<T>& l){std::swap(_head, l._head);std::swap(_size, l._size);}list<T>& operator=(list<T> l){//这里传参已经是实现拷贝构造,只需交换*this和l 就可以实现赋值赋值运算符重载swap(l);return *this;}~list(){clear();delete _head;}

1.5 泛型编程实现打印

我们可以使用一个模板函数来实现可以打印不同容器的内容。

void test4(){list<int> l1;l1.push_back(1);l1.push_back(2);l1.push_back(3);l1.push_back(4);l1.push_back(5);l1.push_back(6);//print_list(l1);print_Container(l1);list<string> l2;l2.push_back("12345678");//这里list.push_back 不会涉及深拷贝的问题，  //vector是因为开空间要拷贝原来数据l2.push_back("12345678");l2.push_back("12345678");l2.push_back("12345678"); //print_list(l2);print_Container(l2);vector<string> v;v.push_back("1111111111111");v.push_back("1111111111111");v.push_back("1111111111111");v.push_back("1111111111111");v.push_back("1111111111111");print_Container(v);}

1.实现只能打印vector <int> 的函数

	void print_list(const list<int>& l){list<int>::const_iterator it = l.begin();//返回const迭代器while (it != l.end()){//*it = 1;//const迭代器不能修改cout << *it << " ";it++;}cout << endl;}

2.实现可以打印 vector<T> 的函数。

之前讲class 和 typename 的不同之处在这里可以体现。

    template<typename T> void print_list(const list<T>& l){//这里要加 typename //list<T> 未实例化，编译器不能去他里面找//不能判断const_iterator 是一个静态成员变量还是一个内嵌类型//所以加一个typename 就是告诉编译器这里是一个类型，等它实例化了再去取，通过初步检查typename list<T>::const_iterator it = l.begin();while (it != l.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}

3.实现可以打印所有容器的函数

    template<typename Container>void print_Container(const Container& con){typename Container::const_iterator it = con.begin();  while (it != con.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}//模板（泛型编程）本质，本来应该由我们做的事情交给编译器去做

2. list 反向迭代器的实现

通过前面例子知道，反向迭代器的++就是正向迭代器的--，反向迭代器的--就是正向迭代器的++，因此反向迭代器的实现可以借助正向迭代器，即：反向迭代器内部可以包含一个正向迭代器，对正向迭代器的接口进行包装即可。

template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{// 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的类型，而不是静态成员变量                    // 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的public:typedef typename Iterator::Ref Ref;typedef typename Iterator::Ptr Ptr;typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;public:// 构造ReverseListIterator(Iterator it)    : _it(it){}// 具有指针类似行为Ref operator*(){Iterator temp(_it);--temp;return *temp;}Ptr operator->(){     return &(operator*());}//// 迭代器支持移动Self& operator++(){--_it;return *this;}Self operator++(int){Self temp(*this);--_it;return temp;}Self& operator--(){++_it;return *this;}Self operator--(int){Self temp(*this);++_it;return temp;}// 迭代器支持比较bool operator!=(const Self& l)const{ return _it != l._it;}bool operator==(const Self& l)const{ return _it != l._it;}Iterator _it;
};

3.list 和 vector 的对比 

vector与list都是STL中非常重要的序列式容器，由于两个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不同，其主要不同如下：

vector	list
底 层 结 构	动态顺序表，一段连续空间	带头结点的双向循环链表
随 机 访 问	支持随机访问，访问某个元素效率O(1)	不支持随机访问，访问某个元素 效率O(N)
插 入 和 删 除	任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间复杂 度为O(N)，插入时有可能需要增容，增容：开辟新空 间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低	任意位置插入和删除效率高，不 需要搬移元素，时间复杂度为 O(1)
空 间 利 用 率	底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利用率 高，缓存利用率高	底层节点动态开辟，小节点容易 造成内存碎片，空间利用率低， 缓存利用率低
迭 代 器	原生态指针	对原生态指针(节点指针)进行封装
迭 代 器 失 效	在插入元素时，要给所有的迭代器重新赋值，因为插入 元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，删 除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效	插入元素不会导致迭代器失效， 删除元素时，只会导致当前迭代 器失效，其他迭代器不受影响
使 用 场 景	需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率	大量插入和删除操作，不关心随 机访问

本篇结束！