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前言

一、节点、迭代器以及函数声明

二、list功能实现

1. 节点

2. 迭代器

迭代器的默认构造

operator*

operator->

前置++和--

后置++和--

operator!=

3. 容器

交换两个容器的内容

迭代器接口

空链表初始化

构造函数

拷贝构造函数

赋值重载

析构函数

容量接口size

插入和删除

insert和erase

push_back、push_front、pop_back、pop_front

清空链表

三、程序全部代码

总结

前言

        通过之前对list的学习，我们已经基本掌握了其底层结构以及常用接口。今天我们在此基础上，尝试模拟实现list。

        与vector、string不同，由于list的底层是一个双向带头循环链表，所以它的实现上要更加复杂。vector和string的迭代器可以是原生指针，但是list的迭代器需要用一个类模板来实现，并且数据之间都是以节点的指针相连接，我们还需要定义其节点结构。当然，与vector一样，在接下来模拟实现list的过程中，我们也将采用类模板进行定义，并不会将声明和定义分离。

建议大家在掌握了双向带头循环链表以及vector、string的实现之后，再来阅读本文，否则其中部分内容可能较难理解。

一、节点、迭代器以及函数声明

        首先是链表节点、迭代器和我们要实现接口的声明：

#include <iostream>
#include <cassert>
using namespace std;//节点
template<class T>
struct list_node
{T _data;//数据域list_node<T>* _next;//指向后一个节点list_node<T>* _prev;//指向前一个节点//节点的默认构造list_node(const T& x = T());
};//迭代器
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct list_iterator
{typedef list_node<T> Node;typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* ptr;//封装节点的指针//迭代器构造list_iterator(Node* node);//解引用Ref operator*();//结构成员间接访问Ref operator->();//前置++&Self operator++();//前置--&Self operator--();//后置++Self operator++(int);//后置--Self operator--(int);//不等于bool operator!=(const Self& it);
};//容器
template<class T>
class List
{typedef list_node<T> Node;
public:typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//迭代器接口iterator begin();iterator end();const_iterator begin() const;const_iterator end() const;//空链表的初始化void empty_init();//无参构造List();//n个val值构造List(size_t n, const T& val = T());//拷贝构造List(const List<T>& l);//赋值重载List<T>& operator=(List<T> l);//析构~List();//插入和删除iterator insert(iterator pos, const T& x);iterator erase(iterator pos);void push_back(const T& x);void push_front(const T& x);void pop_back();void pop_front();//清空链表void clear();//交换两个链表void swap(List<T> l);
private:Node* _head;//头节点的指针size_t _size;//节点个数
};//交换两个链表--非成员函数版
template <class T>
void swap(List<T>& l1, List<T>& l2);

接下来，我们开始逐一实现这三个部分。

二、list功能实现

1. 节点

        和传统的双向带头循环链表相同，节点当中有一个数据域用于存放数据；两个指针分别指向前驱节点和后继节点。 我们需要实现节点的默认构造函数，便于容器构造节点。

代码实现：

//节点
template<class T>
struct list_node
{T _data;//数据域list_node<T>* _next;//指向后一个节点list_node<T>* _prev;//指向前一个节点//节点的默认构造list_node(const T& x = T()):_data(x), _next(nullptr), _prev(nullptr){}
};

可以看到，这里的节点我们也定义成了一个类模板，参数T表示的是传入的数据类型。对于构造函数，如果我们没有显式传参，则数据x就会调用其默认构造函数初始化。

2. 迭代器

        迭代器也是一个类模板，我们模拟实现的迭代器具有三个模板参数：数据类型T，T的引用类型Ref（普通引用或const引用）、T的指针类型Ptr（普通指针或const指针）。 为什么要这样设计呢？其实这样做的目的是为了提高代码复用率。如果我们创建了一个list普通对象和一个const对象，那么使用它们的迭代器时，相对应就会有普通迭代器和const迭代器。这样我们在实现迭代器时，就要将同样的接口写两遍。而当我们定义了三个模板参数后，容器内部就可以通过传参来定义对应的普通迭代器ef和const迭代器，减少了代码冗余。

//list容器内部定义迭代器
typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;//普通迭代器
typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//const迭代器

其次，为了简化代码，我们typedef一下节点类型以及迭代器本身类型：

typedef list_node<T> Node;//节点
typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;//迭代器本身

除此之外，由于迭代器是将指针进行封装，所以我们要将其成员变量设置为一个指向链表节点的指针：

Node* _ptr;//封装节点的指针

接下来，我们开始实现迭代器的操作函数。

迭代器的默认构造

//迭代器构造
list_iterator(Node* node):_ptr(node)
{}

对于构造函数，我们将传入的指针赋值给成员指针即可。

operator*

//解引用
Ref operator*()
{return _ptr->_data;
}

解引用用于访问指针所指对象的数据，所以函数返回迭代器指向节点的数据域。

operator->

//结构成员间接访问
Ref operator->()
{return &_ptr->_data;
}

        正常来讲，该函数的作用应该是用于访问指针所指向数据的成员，但是它并没有参数，而且返回值却是数据地址。这是为什么呢？这其实和c++的语法规定有关。当我们使用该运算符重载时，要访问到数据的成员，原本应该这样写：迭代器 ->-> 成员。但是连续两个“->”看起来并不美观，并且难以理解，所以c++语法在这里省略了一个“->”。所以我们在实现该重载时，要返回数据的地址，编译器就会默认根据这个地址找到指定成员（成员名写在->后即可，不传参）。

前置++和--

         由于链表底层结构并非连续，所以不能直接使指针++/--来改变指向，而应该使用类似链表遍历的方式。实现如下：

//前置++
Self& operator++()
{_ptr = _ptr->next;return *this;
}
//前置--
Self& operator--()
{_ptr = _ptr->prev;return *this;
}

后置++和--

        后置++/--的实现方法与前置++/--类似。这里创建一个临时迭代器来保存未移动时的指向。

//后置++
Self operator++(int)
{Self tmp(*this);_ptr = _ptr->next;return tmp;
}
//后置--
Self operator--(int)
{Self tmp(*this);_ptr = _ptr->prev;return tmp;
}

operator!=

//不等于
bool operator!=(const Self& it)
{return _ptr != it._ptr;
}

这里判断它们的成员指针是否相等即可。

3. 容器

        为了简化代码，还是先typedef一下节点类型：

typedef list_node<T> Node;

        接下来，我们开始实现list容器的常用接口。

交换两个容器的内容

        还是老套路，我们仅需交换它们的成员变量，就可以完成容器的交换。代码实现：

//交换两个链表
void swap(List<T> l)
{std::swap(_head, l.head);//交换头节点指针std::swap(_size, l._size);//交换size
}

//交换两个链表--非成员函数版
template <class T>
void swap(List<T>& l1, List<T>& l2)
{l1.swap(l2);//直接调用成员函数版
}

迭代器接口

         首先是普通迭代器和const迭代器的定义：

typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

迭代器接口实现：

//迭代器接口
iterator begin()
{return iterator(_head->next);
}
iterator end()
{return _head;
}
const_iterator begin() const
{return iterator(_head->next);
}
const_iterator end() const
{return _head;
}

这里要注意一下它们的返回值：begin的返回值是指向首元素的迭代器，由于我们的链表头部有一个哨兵节点，所以首元素是哨兵节点的下一个节点；end的返回值是指向尾元素的“下一个元素”的迭代器，比较抽象，这里刚好可以定义为哨兵节点。

空链表初始化

        该函数用于创建哨兵节点并且初始化链表的各项属性，便于后续构造函数调用。

//空链表的初始化
void empty_init()
{_head = new Node();_head->next = _head->prev = _head;_size = 0;
}

构造函数

        这里我们实现一下无参构造和n个val值构造：

//无参构造
List()
{empty_init();
}

//n个val值构造
List(size_t n, const T& val = T())
{empty_init();for (size_t i = 0; i < n; i++){push_back(val);//循环尾插}
}

拷贝构造函数

        拷贝构造函数的逻辑与n个val值构造相同，遍历源链表内容，循环尾插给当前链表即可。

//拷贝构造
List(const List<T>& l)
{empty_init();for (auto& e : l){push_back(e);}
}

赋值重载

        这里我们仍然使用新式写法，构造新对象然后交换，完成赋值操作。 代码如下：

//赋值重载
List<T>& operator=(List<T> l)
{swap(l);return *this;//支持连续赋值
}

析构函数

        对于析构函数，我们首先释放掉所有的节点空间，然后删除哨兵节点。

//析构
~List()
{clear();//调用clear函数清空链表delete _head;_head = nullptr;
}

容量接口size

        容量接口size用于获取链表数据个数。我们在函数当中返回成员变量_size的值。

//容量接口
size_t size()
{return _size;
}

插入和删除

        和之前实现vector时的逻辑相同，我们首先实现insert和erase函数，这两个函数分别用于在任意位置进行插入和删除操作。然后，其他的插入和删除函数可以直接调用它们，能确保代码的高效性和复用性。

insert和erase

        insert的逻辑和我们c语言实现双向链表时大体相同（在pos位置之前插入），注意插入元素后，pos指向的不再是原本需要插入的位置，迭代器失效，所以函数要返回新插入的节点的迭代器。 

//插入
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{Node* cur = pos._ptr;Node* newnode = new Node(x);newnode->_next = cur;newnode->_prev = cur->_prev;cur->_prev->_next = newnode;cur->_prev = newnode;_size++;return iterator(newnode);
}

        erase负责删除pos指向的节点。注意删除节点之后，该节点的迭代器会失效，所以函数返回指向被删除节点的后一个节点的迭代器。

iterator erase(iterator pos)
{assert(pos != end());//避免删除哨兵节点Node* del = pos._ptr;Node* next = del->_next;Node* prev = del->_prev;next->_prev = del->_prev;prev->_next = del->_next;delete del;_size--;return iterator(next);
}

push_back、push_front、pop_back、pop_front

尾插、头插、尾删、头删直接调用insert和erase函数即可。注意尾删节点时，end指向的前一个位置才是尾节点。

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());
}

清空链表

        清空链表的操作类似于我们c语言实现的销毁链表，这里循环调用erase函数来完成数据的清除。注意不要删除哨兵节点。 

//清空链表
void clear()
{auto it = begin();//从首元素开始，一个个删除while (it != end()){it = erase(it);}
}

三、程序全部代码

        关于list模拟实现的全部代码如下：

#include <iostream>
#include <cassert>
using namespace std;//节点
template<class T>
struct list_node
{T _data;//数据域list_node<T>* _next;//指向后一个节点list_node<T>* _prev;//指向前一个节点//节点的默认构造list_node(const T& x = T()):_data(x), _next(nullptr), _prev(nullptr){}
};//迭代器
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct list_iterator
{typedef list_node<T> Node;typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* _ptr;//封装节点的指针//迭代器构造list_iterator(Node* node):_ptr(node){}//解引用Ref operator*(){return _ptr->_data;}//结构成员间接访问Ref operator->(){return &_ptr->_data;}//前置++Self& operator++(){_ptr = _ptr->next;return *this;}//前置--Self& operator--(){_ptr = _ptr->prev;return *this;}//后置++Self operator++(int){Self tmp(*this);_ptr = _ptr->next;return tmp;}//后置--Self operator--(int){Self tmp(*this);_ptr = _ptr->prev;return tmp;}//不等于bool operator!=(const Self& it){return _ptr != it._ptr;}
};//容器
template<class T>
class List
{typedef list_node<T> Node;
public:typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//迭代器接口iterator begin(){return iterator(_head->next);}iterator end(){return _head;}const_iterator begin() const{return iterator(_head->next);}const_iterator end() const{return _head;}//空链表的初始化void empty_init(){_head = new Node();_head->next = _head->prev = _head;_size = 0;}//无参构造List(){empty_init();}//n个val值构造List(size_t n, const T& val = T()){empty_init();for (size_t i = 0; i < n; i++){push_back(val);//循环尾插}}//拷贝构造List(const List<T>& l){empty_init();for (auto& e : l){push_back(e);}}//赋值重载List<T>& operator=(List<T> l){swap(l);return *this;//支持连续赋值}//析构~List(){clear();//调用clear函数清空链表delete _head;_head = nullptr;}//容量接口size_t size(){return _size;}//插入和删除iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* cur = pos._ptr;Node* newnode = new Node(x);newnode->_next = cur;newnode->_prev = cur->_prev;cur->_prev->_next = newnode;cur->_prev = newnode;_size++;return iterator(newnode);}iterator erase(iterator pos){assert(pos != end());//避免删除哨兵节点Node* del = pos._ptr;Node* next = del->_next;Node* prev = del->_prev;next->_prev = del->_prev;prev->_next = del->_next;delete del;_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());}//清空链表void clear(){auto it = begin();//从首元素开始，一个个删除while (it != end()){it = erase(it);}}//交换两个链表void swap(List<T> l){std::swap(_head, l.head);//交换头节点指针std::swap(_size, l._size);//交换size}
private:Node* _head;//头节点的指针size_t _size;//节点个数
};//交换两个链表--非成员函数版
template <class T>
void swap(List<T>& l1, List<T>& l2)
{l1.swap(l2);//直接调用成员函数版
}

总结

        本篇文章，我们在掌握list使用方法及其底层原理的基础上，模拟实现出了list容器。由于底层数据内存的非连续性，它的迭代器实现与vector、string有较大差异。之后博主会和大家一起开始stack和queue的学习。如果你觉得博主讲的还不错，就请留下一个小小的赞在走哦，感谢大家的支持❤❤❤