STL：List从0到1

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🎉文章简介：

🎉本篇文章将 介绍如何使用C++编写代码来实现一个类似于STL中的List容器 相关知识进行分享！
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一.前言

这篇文章将介绍如何使用C++编写代码来实现一个类似于STL中的List容器。 list是一个可以在常数范围内在任意位置进行插入和删除的序列式容器。在这篇文章中，你将学习并实现List的常见功能，如添加元素、删除元素等。通过实现自己的List容器，你将更好地熟悉List的使用及相关特性，并提升对C++语言的理解和掌握。
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二.List的介绍

List文档介绍链接: link

1. list是一个可以在常数范围内在任意位置进行插入和删除的序列式容器，并且该容器可以前后双向迭代；
2. list的底层是双向链表结构，双向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；
3. list与forward_list非常相似：最主要的不同在于forward_list是单链表，只能朝前迭代，已让其更简单高效；
4. 与其他的序列式容器相比(array，vector，deque)，list通常在任意位置进行插入、移除元素的执行效率更好（不需要挪动数据）；
5. 与其他序列式容器相比，list和forward_list最大的缺陷是不支持任意位置的随机访问，比如：要访问list的第6个元素，必须从已知的位置(比如头部或者尾部)迭代到该位置，在这段位置上迭代需要线性的时间开销；list还需要一些额外的空间，以保存每个节点的相关联信息(对于存储类型较小元素的大list来说这可能是一个重要的因素)；

三.List的结构及模拟实现

一.底层结构

List底层是一个带头双向循环链表

如图：


库里面的begin() 与end() 返回的节点位置：

begin()返回的是头节点的下一个节点；
而end()返回的是头节点；

二.List的模拟实现

重点：：迭代器的实现

1. 构造函数

template<class T>
struct ListNode
{ListNode<T>(const T& x=T())    :_next(nullptr),_prev(nullptr),_val(x){}ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _val;
};

库里面的List类的构造函数是另写一个函数，因为这个函数拷贝构造会使用，然后复用它，所以我们也这样实现；

template<class T>
class List
{
public:void empty_List(){_phead = new node;_phead->_next = _phead;_phead->_prev = _phead;}List(){empty_List();}
}

2. 拷贝构造函数

List(const List<T>& lt)
{empty_List();     //初始化for (const auto& e : lt)    {push_back(e);        //将lt里面的数据依次尾插}
}

3. 插入函数

思路：记录前一个和后一个节点，然后连接

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{node* newnode = new node(x);    //构造一个节点node* next = pos._node;         node* prev = next->_prev;      //记录前一个newnode->_next = next;         next->_prev = newnode;         //链接newnode->_prev = prev;prev->_next = newnode;return pos;
}

4. 尾插函数

复用insert函数

void push_back(const T& x)
{
/*	node* newnode = new node(x);node* tail = _phead->_prev;tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;       //不复用的写法newnode->_next = _phead;_phead->_prev = newnode;*/insert(end(), x);
}

5. 头插函数

复用insert函数

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

6. 删除函数

iterator erase(iterator pos)
{assert(pos!=end());node* prev = pos._node->_prev;     //保存前一个节点node* next = pos._node->_next;     //保存后一个节点prev->_next = next;               //连接next->_prev = prev;delete pos._node;                  //释放掉该节点return next;                       //返回删除元素的下一个节点
}

7. 尾删函数

复用删除函数

	void pop_back(){//erase(end()._node->_prev);erase(--end());       //头节点的前指针指向的是最后一个节点}

8. 头删函数

复用删除函数

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

9. 迭代器的实现

因为链表的底层物理空间不是连续的，所以不能使用原生指针类实现。因为原生指针++，可以找到下一个数据，但是链表的节点与节点之间不是连续的，指针++，不能找到下一个节点，所以我们需要操作符重载，改变 ++, != ,* 等操作符的行为；又因为节点指针是内置类型，不能进行操作符重载，所以我们只能将它进行封装，封装在一个类里面，进行重载；

template<class T>
struct __List_iterator       
{typedef ListNode<T> node;typedef __List_iterator<T> self;__List_iterator(node* node)       //构造函数:_node(node){}self& operator++()               //运算符的重载{_node = _node->_next;       //前置++，返回++后的值return *this;}self& operator++(int){self tmp(_node);         //保存++前的值_node = _node->_next;return tmp;         //返回++前的值}self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}self& operator--(int){self tmp(_node);_node = _node->_prev;return tmp;}T& operator*(){return _node->_val;}bool operator!=(const self& s){return s._node!= this->_node;}bool operator==(const self& s){return s._node == this->_node;}node* _node;
};

10. 赋值运算符重载

传统写法：

	void clear(){iterator lt = begin();while (lt != end()){lt = erase(lt);}}
//lt1=lt2
List<T>& operator=(const List<T>& lt)
{clear();                                 //清空函数，将链表中的有效数据删除掉，保留头节点for (const auto& e : lt){push_back(e);            //依次尾插}return *this;
}

现代写法：

void swap(List<T>& lt)
{std::swap(_phead, lt->_phead);
}
//lt1=lt2
List<T>& operator=(List<T> lt)    //lt是lt2的拷贝构造
{swap(lt);      //交换lt与lt1return *this;    //返回
}

补充知识：

typedef 放在类里面与外面的区别：
如果是放在公有里面，则类外面也可以使用，但是要指定类域；
如果是私有的话，则类外面不能使用；

三.总代码：

#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;namespace L
{template<class T>struct ListNode{ListNode<T>(const T& x=T()):_next(nullptr),_prev(nullptr),_val(x){}ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _val;};template<class T>struct __List_iterator{typedef ListNode<T> node;typedef __List_iterator<T> self;__List_iterator(node* node):_node(node){}self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}self& operator++(int){self tmp(_node);_node = _node->_next;return tmp;}self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}self& operator--(int){self tmp(_node);_node = _node->_prev;return tmp;}T& operator*(){return _node->_val;}bool operator!=(const self& s){return s._node!= this->_node;}bool operator==(const self& s){return s._node == this->_node;}node* _node;};template<class T>class List{public:typedef ListNode<T> node;typedef __List_iterator<T>  iterator;iterator begin(){return iterator(_phead->_next);}iterator end(){return iterator(_phead);}void empty_List(){_phead = new node;_phead->_next = _phead;_phead->_prev = _phead;}List(){empty_List();}List(const List<T>& lt){empty_List();for (const auto& e : lt)    //引用更好，如果T类型是自定义类型的话{push_back(e);}}//lt1=lt2List<T>& operator=(const List<T>& lt){clear();for (const auto& e : lt){push_back(e);}return *this;}void swap(List<T>& lt){std::swap(_phead, lt->_phead);}//lt1=lt2List<T>& operator=(List<T> lt){swap(lt);return *this;}void clear(){iterator lt = begin();while (lt != end()){lt = erase(lt);}}~List(){clear();delete _phead;_phead = nullptr;}void push_back(const T& x){/*	node* newnode = new node(x);node* tail = _phead->_prev;tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;newnode->_next = _phead;_phead->_prev = newnode;*/insert(end(), x);}void push_front(const T& x){insert(begin(),x);}iterator insert(iterator pos, const T& x){node* newnode = new node(x);node* next = pos._node;node* prev = next->_prev;newnode->_next = next;next->_prev = newnode;newnode->_prev = prev;prev->_next = newnode;return pos;}iterator erase(iterator pos){assert(pos!=end());node* prev = pos._node->_prev;node* next = pos._node->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete pos._node;return next;}void pop_back(){//erase(end()._node->_prev);erase(--end());}void pop_front(){erase(begin());}private:node* _phead;};

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