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C++初阶-list类的模拟实现

news 文章来源：https://blog.csdn.net/m0_70091181/article/details/135036547 2025/1/15 13:15:38

list类的模拟实现

一、基本框架
- 1.1 节点类
- 1.2 迭代器类
- 1.3 list类
二、构造函数和析构函数
- 2.1 构造函数
- 2.2 析构函数
三、operator=的重载和拷贝构造
- 3.1 operator=的重载
- 3.2 拷贝构造
四、迭代器的实现
- 4.1 迭代器类中的各种操作
- 4.1 list类中的迭代器
五、list的增容和删除
- 5.1 尾插尾删
- 5.2 头插头删
- 5.3 任意位置的插入和删除
六、完整代码
- 6.1 list.h
- 6.2 test.cpp

一、基本框架

list的底层和vector和string不同，实现也有所差别，特别是在迭代器的设计上，本文讲介绍list的简单模拟实现。
list底层是一个带头双向循环链表，在节点上变化不大。
list整体由三个类组成
1.节点类（封装一个节点）
2.迭代器类
3.list类

1.1 节点类

list节点类是一个模板类以适合于任何类型的ist对象，封装了一个节点需要的基本成员
成员变量
前驱指针 _prev
后继指针 _next
数据存储_data

成员函数
只有一个构造函数，用于初始化节点data数据和置空指针，构造函数的x参数是缺省参数，适应不同场景。
注意节点类不需要拷贝构造和析构函数，对于节点的拷贝构造在list中只需要浅拷贝即可，节点的释放也不在节点类中进行！

template<class T>
struct list_node
{list_node<T>* _next;list_node<T>* _prev;T _data;
};

1.2 迭代器类

迭代器类也是封装节点，但是迭代器类不会构造节点，只会利用现有节点构造一个迭代器，在迭代器内部通过各种运算符重载对节点的状态做修改！
其次，会涉及返回节点指针或数据data的引用，所以需要在构造对象时将list数据类型的指针和引用类型传给迭代器对象！
迭代器在不访问data的情况下返回的都是迭代器，将声明本迭代器类型self，在函数操作完成时返回self（迭代器）即可！

//1、迭代器要么就是原生指针
//2、迭代器要么就是自定义类型对原生指针的封装，模拟指针的行为
template<class T,class Ref,class Ptr>
struct __list_iterator
{typedef list_node<T> node;typedef __list_iterator<T,Ref,Ptr> self;node* _node;
};

迭代器对象不会凭空创造节点，只会利用现有的节点（迭代器节点类型与list节点类型相同），所以不需要拷贝构造和析构函数，浅拷贝足以！

1.3 list类

list类中包含一个头节点和迭代器以及各种操作函数！

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;
private:node* _head;
};

二、构造函数和析构函数

2.1 构造函数

节点类的构造
将节点进行初始化

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

迭代器的构造
成员变量只有结点node，对结点进行初始化

template<class T,class Ref,class Ptr>
struct __list_iterator
{typedef list_node<T> node;typedef __list_iterator<T,Ref,Ptr> self;node* _node;__list_iterator(node* n):_node(n){}
};

list类的构造
因为是带头的链表，所以在实例化时必须事先申请一个头结点，所以所有的构造函数都会在操作前申请一个头结点，为了避免代码的冗余，我们将头节点的创建封装为一个函数，在构造函数初始化时调用创建头结点。
当我们需要构造空链表时，直接调用empty_init();函数即可
迭代器区间构造也是调用push_back进行尾插

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;void empty_init(){_head = new node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list(){/*_head = new node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;*/empty_init();}template <class Iterator>list(Iterator first, Iterator last){empty_init();while (first != last){push_back(*first);++first;}}private:node* _head;
};

2.2 析构函数

析构函数需要释放所有结点以及头结点，在释放前需要判断当前链表是否为空，如果为空直接置空头节点

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

三、operator=的重载和拷贝构造

3.1 operator=的重载

对于赋值重载，与拷贝构造相似，但是赋值重载在传递参数时使用传值传参，这样就自动帮我们构造了一个临时对象，我们只需要swap一下临时对象的头节点即可，将我们现在的链表交给临时对象销毁，这样就完成了赋值。有时可能需要连等，所以需要返回对象的引用。

//lt1=lt3
list<T>& operator=(list<T> lt)
{swap(lt);return *this;
}

3.2 拷贝构造

拷贝构造最好采用现代写法，构造临时对象使用swap交换，在此之前，因为是构造函数所以需要创造头结点，调用empty_init()函数，再进行拷贝

//lt2(lt1) 拷贝构造传统写法
/*list(const list<T>& lt)
{empty_init();for (auto e : lt){push_back(e);}
}*/void swap(list<T>& tmp)
{std::swap(_head, tmp._head);
}//现代写法
list(const list<T>& lt)
{empty_init();list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());swap(tmp);
}

四、迭代器的实现

4.1 迭代器类中的各种操作

const类型的对象只能使用const类型的迭代器，那么const类型的迭代器如何实现呢、需要再重新封装吗，像上面那样。可以，但是没有必要，因为那样代码的冗余度就会很高，我们只需要给模板增加两个参数就可以了。即template<class T,class Ref,class Ptr>
在这里插入图片描述

//1、迭代器要么就是原生指针
//2、迭代器要么就是自定义类型对原生指针的封装，模拟指针的行为
template<class T,class Ref,class Ptr>
struct __list_iterator
{typedef list_node<T> node;typedef __list_iterator<T,Ref,Ptr> self;node* _node;__list_iterator(node* n):_node(n){}Ref& operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->()    //it->_a1  it->->_a1  本来应该是两个->，但是为了增强可读性，省略了一个->{return &_node->_data;}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& s){return _node != s._node;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node;}
};

4.1 list类中的迭代器

	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;//typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;iterator begin(){//iterator it(_head->_next);//return it;return iterator(_head->_next);}const_iterator begin() const{//iterator it(_head->_next);//return it;return const_iterator(_head->_next);}iterator end(){//iterator it(_head);//return it;return iterator(_head);}const_iterator end() const{//iterator it(_head);//return it;return const_iterator(_head);}

五、list的增容和删除

5.1 尾插尾删

尾插结点需要修改_head和tail的连接关系，链入新节点
1.根据参数创建一个新节点new_node
2.记录原尾结点tail
3.修改_head和tail之间的链接关系，再其中链入new_node
在这里插入图片描述

直接复用insert即可

void push_back(const T& x=T())
{/*node* tail = _head->_prev;node* new_node = new node(x);tail->_next = new_node;new_node->_prev = tail;new_node->_next = _head;_head->_prev = new_node;*/insert(end(), x);
}

直接复用erase即可

void pop_back()
{erase(--end());
}

5.2 头插头删