c++----list模拟实现

目录

1. list的基本介绍

2. list的基本使用 

2.1 list的构造

用法示例 

2.2 list迭代器 

 用法示例

2.3. list容量（capacity）与访问（access)

用法示例

2.4 list modifiers 

用法示例 

2.5 list的迭代器失效 

3.list的模拟实现 

3.1 构造、析构

3.2 迭代器 

3.3 list modifiers 

4. list与vector的区别 

5.完整代码 

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1. list的基本介绍

1. list是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的底层是双向带头循环链表结构，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，只能朝后迭代。
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。
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)

下图是list的底层结构。

从图中可以看出，list底层由一个双向带头循环链表构成。假设有一链表list<int> lt, 头节点为_head则lt.begin()指向_head->next, lt.end()指向_head。

2. list的基本使用 

2.1 list的构造

构造函数（ (constructor)）	接口说明
list (size_type n, const value_type& val = value_type())	构造的list中包含n个值为val的元素
list()	构造空的list
list (const list& x)	拷贝构造函数
list (InputIterator first, InputIterator last)	用[first, last)区间中的元素构造list

用法示例 

void list_test1()
{list<string> lt(5, "xy");//n val构造for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;list<string> llt(lt);//拷贝构造for (auto e : llt){cout << e << " ";}cout << endl;list<string> lltt(++lt.begin(), --lt.end());//迭代器区间构造for (auto e : lltt){cout << e << " ";}
}

2.2 list迭代器 

函数声明	接口说明
begin + end	返回第一个元素的迭代器+返回最后一个元素下一个位置的迭代器
rbegin + rend	返回第一个元素的reverse_iterator,即end位置，返回最后一个元素下一个位置的 reverse_iterator,即begin位置

 用法示例

void list_test2()
{list<int> lt{ 1,2,3,4,5};//这样构造很奇特for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;list<int>::iterator it = lt.begin();//正向迭代器while (it != lt.end()){cout << *it << " ";it++;}cout << endl;list<int>::reverse_iterator  rit = lt.rbegin();//反向迭代器while (rit != lt.rend()){cout << *rit << " ";rit++;}cout << endl;
}

那么大家肯定会有一个疑问，之前的string，vector迭代器可以++，是因为他们的底层物理空间是连续的，但list底层可是双向带头循环链表啊，它的结构物理空间可是不连续的，我们++，不就错了吗？

不急，我们后面模拟实现的时候细讲。

2.3. list容量（capacity）与访问（access)

函数声明	接口说明
empty	检测list是否为空，是返回true，否则返回false
size	返回list中有效节点的个数

front	返回list的第一个节点中值的引用
back	返回list的最后一个节点中值的引用

用法示例

void list_test3()
{list<int> lt{ 1,2,3,4,5 };//这样构造很奇特for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;cout << "链表是否为空:   ";if (lt.empty())cout << "true" << endl;elsecout << "false" << endl;cout << "size: " << lt.size() << endl;cout << "Front Element: " << lt.front() << endl;cout << "Back Element: " << lt.back() << endl;lt.clear();cout << "已执行链表清空操作，链表是否为空:   ";if (lt.empty())cout << "true" << endl;elsecout << "false" << endl;}

2.4 list modifiers 

函数声明	接口说明
push_front	在list首元素前插入值为val的元素
pop_front	删除list中第一个元素
push_back	在list尾部插入值为val的元素
pop_back	删除list中最后一个元素
insert	在list position 位置中插入值为val的元素
erase	删除list position位置的元素
swap	交换两个list中的元素
clear	清空list中的有效元素

用法示例 

void list_test4()
{list<int> lt{ 1,2,3,4,5 };//这样构造很奇特for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.push_back(0);lt.push_back(0);lt.push_front(9);lt.push_front(9);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.pop_back();lt.pop_front();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){if (*it == 5){it = lt.erase(it);break;}it++;}lt.insert(it, 999);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;
}

2.5 list的迭代器失效 

这里我们将迭代器理解为指针，list的迭代器失效是因为指针所指向的空间被销毁，导致指针变为野指针。list的底层是双向带头循环链表，因此list不存在插入导致迭代器失效的问题。list的迭代器失效出现在erase内，如果该节点被删除，空间已被销毁，那么就必须更新迭代器，否则迭代器失效。 

3.list的模拟实现 

list的模拟实现存在几个难点，首先是使用了大量的typedef，这会让人头晕眼花，其次是模板迭代器的构建。我们快来看看吧。

注意：list的迭代器由于list底层空间不连续的问题，因此要实现和vector一样的迭代器效果（即支持*it，it++）需要对操作符进行重载，所以要封装Node*。

list需要创建一个类内类Node，用list访问Node类的变量。

下面是ListNode类，类内包含双链表节点的三要素。

template<class T>
struct ListNode//节点的创建
{T _Date;ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;ListNode(const T& x=T())//节点的构造函数:_Date(x),_next(nullptr),_prev(nullptr){}
};

3.1 构造、析构

这里的构造函数为简易版本，只支持创建空链表。 

void list_init()//初始化每一个节点
{_head = new Node;//new调用Node的默认构造，不传参_head->_next = _head;_head->_prev = _head;
}
list()
{list_init();
}
list(list<T>& lt)//拷贝构造
{list_init();//创建头节点for (const auto& e : lt){push_back(e);}
}void swap(list<T>& tmp)
{std::swap(_head, tmp._head);
}//list& operator=(list lt)
list<T>& operator=(list<T> lt)
{swap(lt);return *this;
}
void clear()
{list<T>::iterator it = this->begin();while (it != end()){it = erase(it);}
}
~list()
{delete _head;_head = nullptr;
}

3.2 迭代器 

前面说，要对++等操作符进行重载，这时需要重新定义iterator类封装节点的指针，通过指针对节点进行操作。且iterator类需要支持普通对象与const对象的访问，因此需要定义成模板类。

模板类iterator 

template<class T,class Ref,class Ptr>
struct _list_iterator//迭代器本质就是指针，这里封装Node*,对Node的指针进行操作，重载++等操作符
{typedef ListNode<T> Node;typedef _list_iterator<T,Ref,Ptr> self;//typedef _list_iterator<T> self;Node* _node;//成员变量public:_list_iterator(Node* node)//构造函数，直接用node构建:_node(node){}//没有参数int ，前置＋＋self& operator++()//重载++{_node = _node->_next;return *this;}self operator++(int)//后置++{Node* tmp = _node;_node = _node->_next;return tmp;}self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//返回临时对象，出函数即销毁，不可传引用self operator--(int)//后置--{Node* tmp = _node;_node = _node->_prev;return tmp;}Ptr operator->(){return &_node->_Date;}Ref operator*(){return _node->_Date;}bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node;}
};

list类内的迭代器函数 

typedef _list_iterator<T,T&,T*> iterator; //普通对象的迭代器
typedef _list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;  //const对象的迭代器
iterator begin()//指向头节点的下一个
{return _head->_next;
}iterator end()//指向头节点
{return _head;
}const_iterator begin() const//指向头节点的下一个
{return _head->_next;
}const_iterator end() const//指向头节点
{return _head;
}

 这里模板参数有三个，分别是T，T&，T*，这是为什么呢？

T&：因为重载普通迭代器的*时，返回值需要设为引用类型，以便于外界可以更改。

 T*：重载->时，由于list的->逻辑不能自洽，list的重载->需要返回数据的地址

这里需要着重解释一下，如果是list<int>,那么重载->完全没有问题，但如果是list<Date>呢？

Node的数据域是自定义类型，又该怎么办呢？

因此我们返回Node.Date的地址，然后再解引用，如果是内置类型不受影响，如果是自定义类型，稍加控制就ok了。

我们来看看示例：

struct AA
{int _a1;int _a2;AA(int a1 = 1, int a2 = 1):_a1(a1), _a2(a2){}
};
void test_list5()
{list<AA> lt;AA aa1;lt.push_back(aa1);lt.push_back(AA());AA aa2(2, 2);lt.push_back(aa2);lt.push_back(AA(2, 2));list<AA>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){std::cout << (*it)._a1 << ":" << (*it)._a2 << std::endl;std::cout << it.operator*()._a1 << ":" << it.operator*()._a2 << std::endl;std::cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << std::endl;std::cout << it.operator->()->_a1 << ":" << it.operator->()->_a2 << std::endl;++it;}std::cout << std::endl;
}

Node的数据域存放的是AA类对象，Node* ptr，ptr->Date就是AA类的实例化对象，此时返回AA对象的地址，也就是AA* p,p->就可以访问AA类对象的成员了。 

3.3 list modifiers 

这里需要注意erase的迭代器失效问题。 

void push_back(const T& x=T())
{Node* node = new Node;Node* tail = _head->_prev;node->_Date = x;tail->_next = node;node->_next = _head;_head->_prev = node;node->_prev = tail;
}iterator insert(iterator pos,const T& x = T())//不存在迭代器失效问题
{Node* node = new Node;node->_Date = x;Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;cur->_prev = node;node->_next = cur;node->_prev = prev;prev->_next = node;return node;
}iterator erase(iterator pos)//这里的pos有可能会产生迭代器失效问题
{Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;cur = nullptr;return next;//更新pos
}

4. list与vector的区别 

list与vector都是c++STL序列容器的重要组成部分，由于底层结构的不同，造成了他们的功能和特性有所不同，详见下表。 

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

 

5.完整代码 

template<class T>
struct ListNode//节点的创建
{T _Date;ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;ListNode(const T& x=T())//节点的构造函数:_Date(x),_next(nullptr),_prev(nullptr){}
};template<class T,class Ref,class Ptr>
struct _list_iterator//迭代器本质就是指针，这里封装Node*,对Node的指针进行操作，重载++等操作符
{typedef ListNode<T> Node;typedef _list_iterator<T,Ref,Ptr> self;//typedef _list_iterator<T> self;Node* _node;//成员变量public:_list_iterator(Node* node)//构造函数，直接用node构建:_node(node){}//没有参数int ，前置＋＋self& operator++()//重载++{_node = _node->_next;return *this;}self operator++(int)//后置++{Node* tmp = _node;_node = _node->_next;return tmp;}self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//返回临时对象，出函数即销毁，不可传引用self operator--(int)//后置--{Node* tmp = _node;_node = _node->_prev;return tmp;}Ptr operator->(){return &_node->_Date;}Ref operator*(){return _node->_Date;}bool operator!=(const self& s){return _node != s._node;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node;}
};template<class T>
class list
{typedef ListNode<T> Node;  //typedef
public:typedef _list_iterator<T,T&,T*> iterator; //普通对象的迭代器typedef _list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;  //const对象的迭代器iterator begin()//指向头节点的下一个{return _head->_next;}iterator end()//指向头节点{return _head;}const_iterator begin() const//指向头节点的下一个{return _head->_next;}const_iterator end() const//指向头节点{return _head;}void list_init()//初始化每一个节点{_head = new Node;//new调用Node的默认构造，不传参_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list(){list_init();}list(list<T>& lt)//拷贝构造{list_init();//创建头节点for (const auto& e : lt){push_back(e);}}void swap(list<T>& tmp){std::swap(_head, tmp._head);}//list& operator=(list lt)list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}void clear(){list<T>::iterator it = this->begin();while (it != end()){it = erase(it);}}~list(){delete _head;_head = nullptr;}void push_back(const T& x=T()){Node* node = new Node;Node* tail = _head->_prev;node->_Date = x;tail->_next = node;node->_next = _head;_head->_prev = node;node->_prev = tail;}iterator insert(iterator pos,const T& x = T())//不存在迭代器失效问题{Node* node = new Node;node->_Date = x;Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;cur->_prev = node;node->_next = cur;node->_prev = prev;prev->_next = node;return node;}iterator erase(iterator pos)//这里的pos有可能会产生迭代器失效问题{Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;cur = nullptr;return next;//更新pos}size_t size()const//返回size{int cnt = 0;list<int>::const_iterator it = begin();while (it != end()){cnt++;it++;};return cnt;}bool empty()const//判空{return _head ->_next== _head;}private:Node* _head;//成员变量为ListNode* 即访问节点的指针
};