STL —— list

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本篇文章主要讲解 list模拟实现的相关内容

１. list简介

列表（list）是C++标准模板库（STL）中的一个容器，它是一个双向链表数据结构，用于存储元素。与vector不同，列表中的元素在内存中不是连续存储的，而是通过指针相互连接形成链表。这种设计使得列表对于插入和删除操作非常高效，但是在查找特定元素时相对较慢，因为需要按序遍历整个链表。

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２. list模拟实现

２.１ list类的相关成员变量

在C++的标准库中，list的实现方式是带头双向循环链表，因此在类中，我们需要一个头指针_head。至于每个节点，我们也同样需要构造一个类，其中成员变量包含_prev， _next和数据_val。

template<class T>
struct ListNode
{ListNode<T>* _prev;ListNode<T>* _next;T _val;ListNode(const T& x = T()):_prev(nullptr),_next(nullptr),_val(x){}
};
template<class T>
class list
{
public:typedef ListNode<T> Node;list(){_head = new Node;_head->_prev = _head;_head->_next = _head;}
private:Node* _head;
};

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２.２ 尾插

尾插太简单了，直接上代码：

void push_back(const T& x)
{Node* newnode = new Node(x);Node* tail = _head->_prev;tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;newnode->_next = _head;_head->_prev = newnode;
}

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２.３ 迭代器

在库中，我们不管迭代器的底层是如何实现的，但是我们都要用相同的方法使用迭代器，例如之前讲过的 vector，string，在g++中的实现方法就是原生指针，来实现例如＋＋、－－、＊等功能，但是这里list由于不是连续存储的，所以用原生指针正常的＋＋、－－等功能并不能达到我们的预期，因此我们可以把迭代器搞成一个类类型，并用运算符重载来改变它的功能。

下面的代码是迭代器正常的使用方法，我们需要用运算符重载来实现这些功能：

void list_test1()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}

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2.3.1 迭代器类的成员变量

迭代器类中其实就包含了一个指向结点类型的指针，因为我们的目的就是改变原生指针的相关操作，来实现迭代器相关的操作。
代码如下：

struct ListNodeIterator
{typedef ListNode<T> Node;Node* _node;ListNodeIterator(Node* node):_node(node){}
};

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2.3.2 迭代器类的实现

template<class T>
struct ListNodeIterator
{typedef ListNode<T> Node;typedef ListNodeIterator<T> Self;Node* _node;ListNodeIterator(Node* node):_node(node){}T& operator*(){return _node->_val;}Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self operator++(int){Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}Self operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const Self& it){return _node != it._node;}
};

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2.3.3 insert 和 erase

insert和erase传的参数就是iterator，模拟实现代码如下：

void insert(iterator pos, const T& x)
{Node* newnode = new Node(x);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;
}
void erase(iterator pos)
{Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;cur = nullptr;
}

这里需要注意，在erase的时候由于迭代器指向的空间被释放了，会导致迭代器失效的问题，之前的文章讲过相关的内容，因此我们需要更新iterator，指向被删除的位置的下一个位置即可，代码如下：

iterator erase(iterator pos)
{Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;cur = nullptr;return next;
}

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2.3.4 begin 和 end

begin 和 end是在迭代器中的成员函数，返回头和尾的迭代器即可：

typedef ListNodeIterator<T> iterator;
iterator begin()
{return iterator(_head->_next);// 单参数类型的构造函数支持隐式类型转换，以下依法也可以：// return _head->_next;
}
iterator end()
{return iterator(_head);// return _head;
}

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2.3.5 insert 和 erase的复用

push＿back、push＿front、pop＿back、pop＿front都可以复用insert和erase，代码如下：

void push_back(const T& x)
{/*Node* newnode = new Node(x);Node* tail = _head->_prev;tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;newnode->_next = _head;_head->_prev = newnode;*/insert(end(), x);
}
void pop_back()
{erase(--end());
}
void push_front(const T& x)
{insert(begin(), x);
}
void pop_front()
{erase(begin());
}

测试代码：

void list_test1()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;lt.pop_back();lt.pop_back();it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;lt.push_front(100);lt.push_front(200);lt.push_front(300);it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;lt.pop_front();lt.pop_front();it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}

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2.3.5 operator->的重载

• 先看一下这段代码：

void list_test2()
{struct A{int _a1;int _a2;A(int a1 = 0, int a2 = 0):_a1(a1),_a2(a2){}};list<A> lt;A a(1, 2);lt.push_back(a);lt.push_back(A(3, 4));lt.push_back({ 5,6 });list<A>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){／／　主要看这里cout << (*it)._a1 << " " << (*it)._a2 << " ";cout << endl;++it;}
}

我们注意到当我们访问自定义类型的数据需要这样：(*it)._a1进行访问，但是迭代器就是为了模仿指针的相关操作，例如我们有A*这种类型的指针如何进行访问A中的数据呢？

A* aa;
(*aa)._a1;
／／　上面的方法很别扭，我们正常用指针都是用－＞访问的，所以我们如何实现－＞的重载呢？
aa->_a1;

• 实现方法如下：

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

为什么这样就行了呢，我们知道自定义类型Ａ存储在了节点的＿val中，这里返回了＿val的地址，如果按照正常的思路进行访问，应该按照如下的方式：

• cout << it.operator->()->_a1 << " " << it.operator->()->_a2 << " ";

所以应该有两个箭头：第一个箭头代表运算符的重载，第二个代表指针解引用访问数据：

• cout << it->->_a1 << " " << it->->_a2 << " ";

但是编译器进行了简化，两个箭头变成了一个箭头

• cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << " ";

`

void list_test2()
{struct A{int _a1;int _a2;A(int a1 = 0, int a2 = 0):_a1(a1),_a2(a2){}};/*A* aa;(*aa)._a1;aa->_a1;*/list<A> lt;A a(1, 2);lt.push_back(a);lt.push_back(A(3, 4));lt.push_back({ 5,6 });list<A>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << (*it)._a1 << " " << (*it)._a2 << " ";cout << it.operator->()->_a1 << " " << it.operator->()->_a2 << " ";//cout << it->->_a1 << " " << it->->_a2 << " ";cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << " ";cout << endl;++it;}
}

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２.４ const迭代器

• 我们先看以下这段代码：

void Print(const list<int>& lt)
{list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}void list_test3()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(1);lt.push_back(8);lt.push_back(6);lt.push_back(0);Print(lt);
}

• 很明显，会报错，提示不能从const转换为非const：

• 很多人可能会想着在begin和end后加上const进行修饰，但其实也不行，这样虽然传入的值是const类型，但是返回的值不是const类型，就会导致返回的值能被修改，但是要求是返回的值是const类型，所以这种想法是不行的，下面是错误的示范：

iterator begin() const
{return iterator(_head->_next);// 单参数类型的构造函数支持隐式类型转换，以下写法也可以：// return _head->_next;
}
iterator end() const
{return iterator(_head);// return _head;
}
void Print(const list<int>& lt)
{list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){／／　这里可以修改*it += 10;cout << *it << " ";++it;}cout << endl;
}void list_test3()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(1);lt.push_back(8);lt.push_back(6);lt.push_back(0);Print(lt);
}

• 那应该如何解决呢？在此之前，我们需要了解一下这段代码：

const iterator begin() 
{return iterator(_head->_next);// 单参数类型的构造函数支持隐式类型转换，以下写法也可以：// return _head->_next;
}
const iterator end() 
{return iterator(_head);// return _head;
}

• 当我们在返回值前加上const，代表返回的迭代器不能被修改，例如不能进行＋＋it；
• 但是我们是想着迭代器指向的内容不能被修改，因此这种方法是不可行的。
• 可以类比一下这段代码：

// const修饰的是解引用之后的内容
const int* a；
// const修饰的是指针本身
int* const a；

• 解决方法其实很简单，之前说过既然不满足要求，那我们就自己造轮子，自己写一个类；
• 这个类其实也很简单，就把ListNodeIterator这个类中的两个运算符重载函数的返回值改变一下就可以了，一个是＊，另一个是－＞：

template<class T>
struct ListNodeConstIterator
{typedef ListNode<T> Node;typedef ListNodeConstIterator<T> Self;Node* _node;ListNodeConstIterator(Node* node):_node(node){}const　T& operator*(){return _node->_val;}const　T* operator->(){return &_node->_val;}Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self operator++(int){Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}Self operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const Self& it){return _node != it._node;}
};

在list类中加入这两个函数：

const_iterator begin() const
{return const_iterator(_head->_next);// 单参数类型的构造函数支持隐式类型转换，以下写法也可以：// return _head->_next;
}const_iterator end() const
{return const_iterator(_head);// return _head;
}

• 这时候就不能修改了

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２.５ 模板的作用

我们发现，在两个迭代器中，只用两个函数的返回值不同，其他的全部都一样，看上去非常冗余，那我们可不可以用一种方法来解决这种冗余呢？肯定是可以的，我们这个时候就可以用到模板：

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct ListNodeIterator
{typedef ListNode<T> Node;typedef ListNodeIterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* _node;ListNodeIterator(Node* node):_node(node){}Ref operator*(){return _node->_val;}Ptr operator->(){return &_node->_val;}Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self operator++(int){Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}Self operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const Self& it){return _node != it._node;}
};
template<class T>
class list
{
public:typedef ListNode<T> Node;typedef ListNodeIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListNodeIterator<T,const T&, const T*> const_iterator;iterator begin() {return iterator(_head->_next);// 单参数类型的构造函数支持隐式类型转换，以下写法也可以：// return _head->_next;}iterator end() {return iterator(_head);// return _head;}const_iterator begin() const{return const_iterator(_head->_next);// 单参数类型的构造函数支持隐式类型转换，以下写法也可以：// return _head->_next;}const_iterator end() const{return const_iterator(_head);// return _head;}／／　．．．．．．
};

这里虽然只写了一份iterator类，但是在编译的时候，编译器会根据你的需要生成两份iterator类，所以模板很强大。

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３. 拷贝构造、赋值重载、析构

３.１　析构函数

• 析构函数释放掉空间即可，记住更新一下迭代器。

void clear()
{iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}
}~list()
{clear();delete _head;_head = nullptr;
}

３.２　拷贝构造

• 拷贝构造新建一个头节点，然后尾插。

void empty_init()
{_head = new Node;_head->_prev = _head;_head->_next = _head;
}list(const list<T>& lt)
{empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}
}

３.３　赋值重载

• 赋值重载现代写法，之前讲过类似的方法：

void swap(list<T>& lt)
{std::swap(_head, lt._head);
}list<int>& operator=(list<T> lt)
{swap(lt);return *this;
}