C++之list容器模拟实现方式

总述

list模拟实现主要包括四个类：节点类、迭代器类、反向迭代器类、list类。

list底层结构：

因为list的底层空间不连续，所以迭代器不能使用原生态的指针，将节点类型的指针封装成类，重载解引用及自增等常用操作。list可以保存多种数据类型，所以这些类都写成类模板

一、节点类

list底层是带头结点的双向循环链表，先实现节点类，给成类模板的形式，便于插入不同类型的数据。

template<class T>
struct ListNode
{
	ListNode<T>* prev;
	ListNode<T>* next;
	T data;//要在链表中保存的数据类型

	ListNode(const T& value = T())
		:prev(nullptr)
		, next(nullptr)
		, data(value)
	{ }
};

定义新节点的方法：

ListNode<变量类型>*变量名=new ListNode(value)；

二、迭代器类

迭代器类模板有三个参数

• T：迭代器指向的元素类型
• Ref：返回的引用类型
• Ptr：返回的指针类型

Ref和Ptr一般不写成T&和T*。

成员变量

迭代器类的成员变量就是节点类型的指针

Node* _pNode;//成员变量，节点类型指针

构造函数

编译器默认的构造函数是无参的，构造函数需要给出

ListIterator(Node* pNode = nullptr)
	:_pNode(pNode)
{}

*重载

返回节点中保存的数据

Ref operator*()
{
	return _pNode->data;
}

->重载

返回节点中保存的数据的地址

Ptr operator->()
{
	return &_pNode->data;
}

->的重载只对内置类型有意义：

“++”

前置++

返回值是迭代器自身类型的引用，前面已经将ListIterator<T, Ref, Ptr>重命名位Self，表示迭代器自身的类型。

Self& operator++()
{
	_pNode = _pNode->next;
	return *this;
}

后置++

定义临时变量，返回自增前的值

Self operator++(int)
{
	Self temp(*this);
	_pNode = _pNode->next;
	return temp;
}

“–”

与++原理相同

Self& operator--()
{
	_pNode = _pNode->prev;
	return (*this);
}
Self operator--(int)
{
	Self temp(*this);
	_pNode = _pNode->prev;
	return temp;
}

“==“和”!=”

比较两个迭代器中封装的指针

bool operator!=(const Self& it)
{
	return _pNode != it._pNode;
}
bool operator==(const Self& it)
{
	return _pNode == it._pNode;
}

三、反向迭代器类

反向迭代器可以对迭代器类进行复用

因为类外访问静态成员变量时也会使用类名::变量名的方式，所以对迭代器类中的Reference和Pointer进行重命名时要加上typename,明确告诉编译器要重命名的是一个数据类型。否则编译器会报错：

成员变量

反向迭代器对迭代器类进行复用

private:
	Iterator _it;//正向迭代器

*重载

反向迭代器的解引用要做特殊处理，返回的是对迭代器–的值

Reference operator*()
{
	//*做特殊处理，先--,再解引用返回
	auto temp = _it;
	--temp;
	return *temp;
}

->重载

复用*的重载，返回value的地址

Pointer operator->()
{
	return &(operator*());
}

“++”

反向迭代器的++即为正向迭代器的–

Self operator++()
{
	--_it;
	return *this;
}
Self operator++(int)
{
	Self temp(*this);
	--_it;
	return *this;
}

“- -”

反向迭代器的–用正向迭代器的++替代

Self operator--()
{
	++_it;
	return *this;
}
Self operator--(int)
{
	Self temp(*this);
	++_it;
	return temp;
}

" == " 和"!="

比较反向迭代器类中保存的正向迭代器，复用正向迭代器中的比较方法

bool operator==(const Self& rit)
{
	return _it == rit;
}
bool operator!=(const Self& rit)
{
	return _it == rit._it;
}

四、list类

成员变量

list的成员变量只有一个head指针，指向链表的第一个节点

private:
	Node* head;

构造相关

空对象

list()
{
	CreatHead();
}

创造头节点的方法：

//提供一个创造头结点的方法
void CreatHead()
{
	//调用节点类的构造方法
	head = new Node();
	head->next = head;
	head->prev = head;
}

0000000

new申请空间，令head指向这段空间，head的next和prev都指向自己。

n个T类型元素

调用push_back方法，创造头节点后，不断进行尾插直到元素个数等于n

list(int n, const T& value = T())
{
	CreatHead();
	for (int i = 0; i < n; ++i)
	{
		push_back(value);
	}
}

拷贝构造

复用push_back

list(const list<T>& l)
{
	CreatHead();
	auto it = l.cbegin();
	while (it != l.cend())
	{
		push_back(*it);
		it++;
	}
}

迭代器构造

将迭代器构造方法写成函数模板，可以传入不同类型的迭代器来构造list对象

template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
	CreatHead();
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		first++;
	}
}

赋值运算符重载

与拷贝构造写法相同

list<T>& operator=(const list<T>& l)
{
	if (this != &l)
	{
		clear();//先清空当前对象中的节点
		auto it = l.cbegin();
		while (it != l.cend())
		{
			push_back(*it);
			it++;
		}
	}
	return *this;
}

析构

清空当前对象，释放头节点空间，将头节点置空

~list()
{
	clear();
	delete head;
	head = nullptr;
}

迭代器

正向迭代器

begin

此处的iterator是对ListIterator<T, T&, T*>的重命名，这里会返回一个ListIterator<T, T&, T*>类对象

iterator begin()
{
	//iterator it(head->next);
	//return it;
	//head->next是传递给迭代器类对象构造函数的参数,调用iterator的构造函数
	return iterator(head->next);//构造匿名对象返回
}

end

iterator end()
{
	return iterator(head);
}

const类型迭代器

iterator和const_iterator 是两个不同的类：

两者使用的是相同的类模板，但是传递的参数不同，最终实例化的也是不同的类。 

cbegin&cend

const_iterator cbegin()const
{
	return const_iterator(head->next);
}
const_iterator cend()const
{
	return const_iterator(head);
}

反向迭代器

rbegin&rend

返回正向迭代器的end和begin

reverse_iterator rbegin()
{
    return reverse_iterator(end());
}
reverse_iterator rend()
{
    return reverse_iterator(begin());
}

crbegin&crend

复用正向迭代器的cend和cbegin

const_reverse_iteraotr crbegin()const
{
    return const_reverse_iteraotr(cend());
}
const_reverse_iteraotr crend()const
{
    return const_reverse_iteraotr(cbegin());
}

容量操作

size

遍历链表，统计节点个数

size_t size()
{
    auto it = cbegin();
    size_t count = 0;
    while (it != cend())
    {
        ++count;
        ++it;
    }
    return count;
}

empty

如果head->next是head本身则表明链表为空

bool empty()
{
    return head->next == head;
}

 

resize

改变节点个数，若新的节点个数大于旧的，则调用push_back填充元素；若新的节点个数小于原来的调用pop_back尾删

元素访问

front

复用迭代器解引用的方法，返回begin()位置元素

T& front()
{
	return *begin();
}
const T& front()const
{
	return *cbegin();
}

back

back表示最后一个元素，但是end()指向的是最后一个元素的下一个位置，需要定义临时变量，不能直接对end()进行- -。

T& back()
{
	auto it = end();
	//return --end()//错误写法
	it--;
	return *it;
}
const T& back()const
{
	auto it = end();
	it--;
	return *it;
}

打印链表

定义一个打印链表的函数模板，检验方法。通过迭代器遍历链表，打印每一个节点的数据。

template<class T>
void PrintList(const list<T>& l)
{
	auto it = l.cbegin();
	while (it != l.cend())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

元素修改

尾插与尾删

push_back

复用insert方法在end位置插入

void  push_back(const T& value)
{
	insert(end(), value);
}

pop_back

先判断链表是否为空，复用erase方法在end的前一个位置进行插入

void pop_back()
{
	if (empty())
	{
		return;
	}
	auto it = end();
	it--;
	erase(it);
}

头插与头删

复用insert与erase方法，在begin()位置进行插入或删除

void push_front(const T& value = T())
{
	insert(begin(), value);
}
void pop_front()
{
	erase(begin());
}

⭐insert

任意位置的插入：申请新节点，连接新节点与链表，断开旧的连接。

这里传入的参数是一个迭代器类对象，不能直接进行操作，要对对象中封装的_pNode指针进行操作。

返回值是新插入的节点的迭代器，所以要用申请的新节点的指针newnode构造一个迭代器类对象返回，不能直接返回newnode

iterator insert(iterator Insertpos, const T& value)
{
	Node* newnode = new Node(value);
	Node* pos = Insertpos._pNode;//_pNode是节点类型的指针
	newnode->next = pos;
	newnode->prev = pos->prev;
	newnode->prev->next = newnode;
	pos->prev = newnode;
	//return newnode;
	//⭐迭代器是封装的Node*指针，此时不能再返回newnode
	return iterator(newnode);//构造匿名对象返回
}

⭐erase

任意位置的删除：分别改变前后两个节点的next和prev指针的指向即可

iterator erase(iterator Erasepos)
{
	Node* pos = Erasepos._pNode;
	Node* ret = pos->next;
	pos->prev->next = pos->next;
	pos->next->prev = pos->prev;
	delete pos;
	return iterator(ret);
}

区间删除：复用单个节点删除的方法，遍历要删除的区间。

要用接收erase的返回值，防止迭代器失效

iterator erase(iterator first, iterator last)
{
	auto it = first;
	while (it != last)
	{
		//it=erase(it);
		//后置++会构造临时对象返回，不会导致迭代器失效
		erase(it++);
	}
	return it;
}

clear&swap

• clear复用erase区间删除的方法，从begin删除到end位置；
• swap方法调用标准库中的swap，交换两个链表的头节点。

void clear()
{
	erase(begin(), end());
}
void swap(list<T>& l)
{

	std::swap(head, l.head);
}

附：完整list类，含测试用例

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

namespace ZH
{
	/
	//节点类模板, 
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode<T>* prev;
		ListNode<T>* next;
		T data;

		ListNode(const T& value = T())
			:prev(nullptr)
			, next(nullptr)
			, data(value)
		{ }
	};
	
	/
	//迭代器类模板
	//list的迭代器不能使用原生态的指针，要进行封装
	//T：迭代器指向的元素类型
	//Ref：给operator*使用，返回引用类型，不要写成T&
	//Ptr：返回值使用，不要写成T*
	template<class T,class Ref,class Ptr>
	class ListIterator
	{
	public:
		typedef ListNode<T> Node;//化简节点类的名字
		typedef Ref Reference;//在反向迭代器类中使用
		typedef Ptr Pointer;

		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;//简化迭代器类的名字

		//构造函数
		ListIterator(Node* pNode=nullptr)
			:_pNode(pNode)
		{}

		//重载部分需要使用的运算符即可：*、->、++、--、==
		Ref operator*()
		{
			return _pNode->data;
		}
		//T为自定义类型时有意义,
		Ptr operator->()
		{
			return &_pNode->data;
		}
		//前置++，返回值是迭代器自身类型的引用
		Self& operator++()
		{
			_pNode = _pNode->next;
			return *this;
		}
		//后置
		Self operator++(int)
		{
			Self temp(*this);
			_pNode = _pNode->next;
			return temp;
		}
		Self& operator--()
		{
			_pNode = _pNode->prev;
			return (*this);
		}
		Self operator--(int)
		{
			Self temp(*this);
			_pNode = _pNode ->prev;
			return temp;
		}
		//迭代器能进行比较
		bool operator!=(const Self& it)
		{
			return _pNode != it._pNode;
		}
		bool operator==(const Self& it)
		{
			return _pNode == it._pNode;
		}

		Node* _pNode;//成员变量，节点类型指针
	};

	
	//反向迭代器类模板，对迭代器进行复用
	template<class Iterator>
	class ListReverseIterator
	{
	public:
		//typedef Iterator::Reference Reference;
		//typedef Iterator::Pointer Pointer;
		typedef typename Iterator::Reference Reference;//typename指定Reference是Iterator中的数据类型
		typedef typename Iterator::Pointer Pointer;
		typedef ListReverseIterator<Iterator> Self;

		ListReverseIterator(Iterator it)
			: _it(it)
		{ }

		Reference operator*()
		{
			//*做特殊处理，先--,再解引用返回
			auto temp = _it;
			--temp;
			return *temp;
		}
		Pointer operator->()
		{
			return &(operator*());
		}
		Self operator++()
		{
			--_it;
			return *this;
		}
		Self operator++(int)
		{
			Self temp(*this);
			--_it;
			return *this;
		}
		Self operator--()
		{
			++_it;
			return *this;
		}
		Self operator--(int)
		{
			Self temp(*this);
			++_it;
			return temp;
		}
		bool operator==(const Self& rit)
		{
			return _it == rit;
		}
		bool operator!=(const Self& rit)
		{
			return _it == rit._it;
		}

	private:
		Iterator _it;//正向迭代器
	};

	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		//typedef Node* iterator;//不能使用Node*作迭代器
		//迭代器
		typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef ListIterator< T, const T&, const T*> const_iterator;
		
		typedef ListReverseIterator<iterator> reverse_iterator;
		typedef ListReverseIterator<const_iterator> const_reverse_iteraotr;

	public:
		///
		//构造
		list()
		{
			CreatHead();
		}
		list(int n, const T& value=T())
		{
			CreatHead();
			for (int i = 0; i < n; ++i)
			{
				push_back(value);
			}
		}
		list(const list<T>& l)
		{
			CreatHead();
			auto it = l.cbegin();
			while (it != l.cend())
			{
				push_back(*it);
				it++;
			}
		}
		//迭代器区间构造
		template<class InputIterator>
		list(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			CreatHead();
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				first++;
			}
		}
		//赋值运算符重载
		list<T>& operator=(const list<T>& l)
		{
			if (this != &l)
			{
				clear();//先清空当前对象中的节点
				auto it = l.cbegin();
				while (it != l.cend())
				{
					push_back(*it);
					it++;	
				}
			}
			return *this;
		}
		~list()
		{
			clear();
			delete head;
			head = nullptr;
		}
	public:
		//迭代器
		iterator begin()
		{
			//iterator it(head->next);
			//return it;
			//iterator是对ListIterator<T, T&, T*>的重命名
			//这里会返回一个ListIterator<T, T&, T*>类对象
			//head->next是传递给迭代器类对象构造函数的参数,调用iterator的构造函数
			return iterator(head->next);//构造匿名对象返回
		}
		iterator end()
		{
			return iterator(head);
		}
		//const类型迭代器
		const_iterator cbegin()const
		{
			return const_iterator(head->next);
		}
		const_iterator cend()const
		{
			return const_iterator(head);
		}

		//反向迭代器
		//反向迭代器的成员变量是一个迭代器类对象
		//end()即为传递给反向迭代器类构造函数的参数
		reverse_iterator rbegin()
		{
			return reverse_iterator(end());
		}
		reverse_iterator rend()
		{
			return reverse_iterator(begin());
		}
		//反向const类型迭代器
		const_reverse_iteraotr crbegin()const
		{
			return const_reverse_iteraotr(cend());
		}
		const_reverse_iteraotr crend()const
		{
			return const_reverse_iteraotr(cbegin());
		}

		/
		//容量
		size_t size()
		{
			auto it = cbegin();
			size_t count = 0;
			while (it != cend())
			{
				++count;
				++it;
			}
			return count;
		}
		bool empty()
		{
			return head->next == head;
		}
		void resize(int newsize,const T& value=T())
		{
			size_t oldsize = size();
			if (newsize > oldsize)
			{
				while (oldsize++<newsize)
				{
					push_back(value);
				}
			}
			if (newsize < oldsize)
			{
				while (oldsize-- < newsize)
				{
					pop_back();
				}
			}
		}

		///
		//元素访问
		T& front()
		{
			return *begin();
		}
		const T& front()const
		{
			return *cbegin();
		}
		T& back()
		{
			auto it = end();
			it--;
			return *it;
		}
		const T& back()const
		{
			auto it = end();
			it--;
			return *it;
		}


		/
		//元素修改
		void  push_back(const T& value)
		{
			insert(end(), value);
		}

		void pop_back()
		{
			if (empty())
			{
				return;
			}
			auto it = end();
			it--;
			erase(it);
		}
		void push_front(const T& value = T())
		{
			//Node* pos = head->next;
			/*Node* newnode = new Node(value);
			newnode->next = head->next;
			newnode->prev = head;
			head->next->prev = newnode;
			head->next = newnode;*/
		    //复用insert
			insert(begin(), value);
		}
		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}

		//⭐insert
		// iterator是ListIterator<T, T&, T*>
		iterator insert(iterator Insertpos, const T& value)
		{
			Node* newnode = new Node(value);
			Node* pos = Insertpos._pNode;//_pNode是节点类型的指针
			newnode->next = pos;
			newnode->prev = pos->prev;
			newnode->prev->next = newnode;
			pos->prev = newnode;
			//return newnode;
			//⭐迭代器是封装的Node*指针，此时不能再返回newnode
			return iterator(newnode);//构造匿名对象返回
		}
		//⭐erase
		iterator erase(iterator Erasepos)
		{
			Node* pos = Erasepos._pNode;
			Node* ret = pos->next;
			pos->prev->next = pos->next;
			pos->next->prev = pos->prev;
			delete pos;
			return iterator(ret);
		}
		iterator erase(iterator first, iterator last)
		{
			auto it = first;
			while (it != last)
			{
				//it=erase(it);
				erase(it++);
			}
			return it;
		}

		void clear()
		{
			erase(begin(), end());
		}
		void swap(list<T>& l)
		{
			std::swap(head, l.head);
		}

	private:
		//提供一个创造头结点的方法
		void CreatHead()
		{
			//调用节点类的构造方法
			head = new Node();
			head->next = head;
			head->prev = head;
		}
	private:
		Node* head;

	};

	template<class T>
	void PrintList(const list<T>& l)
	{
		auto it = l.cbegin();
		while (it != l.cend())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}
}

void Test1()
{
	ZH::list<int> l1;
	ZH::list<int> l2(3, 1);
	PrintList(l2);
	ZH::list<int> l3(l2.begin(), l2.end());
	PrintList(l3);
	vector<int> v{ 0,1,2,3,4 };
	ZH::list<int> l4(v.begin(), v.end());
	PrintList(l4);
}

void Test2()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4 };
	ZH::list<int> L1(v.begin(), v.end());
	L1.push_back(5);
	L1.push_back(6);
	L1.push_front(0);
	PrintList(L1);
	L1.pop_back();
	L1.pop_front();
	PrintList(L1);
	L1.erase(--L1.end());
	PrintList(L1);
}

void Test3()
{
	ZH::list<int> L1;
	L1.push_back(1);
	L1.push_back(2);
	L1.push_back(3);
	L1.push_front(0);
	PrintList(L1);
	L1.resize(6, 5);
	PrintList(L1);
}

struct A
{
	int a;
	int b;
	int c;
};

void Test4()
{
	A aa{ 1,2,3 };
	A bb{ 4,5,6 };
	A cc{ 7,8,9 };
	ZH::list<A> L;
	L.push_back(aa);
	L.push_back(bb);
	L.push_back(cc);
	auto it = L.begin();
	while (it != L.end())
	{
		//⭐it->得到的是节点的地址
		//本应是it->->a，编译器做了特殊处理
		cout << it->a << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;
}

void Test5()
{
	ZH::list<int> L1;
	L1.push_back(0);
	L1.push_back(1);
	L1.push_back(2);
	L1.push_back(3);
	PrintList(L1);
	cout << L1.back() << endl;
	cout << L1.front() << endl;
	cout << L1.size() << endl;
	L1.clear();
	cout << L1.size() << endl;
}
 void Test6()
 {
	 ZH::list<int> L1;
	 L1.push_back(0);
	 L1.push_back(1);
	 L1.push_back(2);
	 L1.push_back(3);
	 PrintList(L1);
	 //区间删除
	 /*L1.erase(L1.begin(), L1.end());
	 PrintList(L1);*/

	 ZH::list<int> L2;
	 L2.push_back(1);
	 L2.push_back(2);
	 L2.push_back(3);
	 L2.push_back(4);
	 L2.push_back(5);
	 PrintList(L2);
	 L1.swap(L2);
	 PrintList(L1);
	 PrintList(L2);
 }

int main()
{
	Test6();
	system("pause");
	return 0;
}

总结

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持猪先飞。