list模拟与实现（附源码）

声明

本文源代码已上传至我的gitee仓库，欢迎查看：list模拟实现源代码

list的简单介绍

在学习STL时，一定要先阅读C++文档
list使用文档

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，只能朝前迭代，已让其更简单高效。
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)

list的简单使用

这里罗列列表的基本操作，非常简单，相信大家在学习完string、vector后学习list的功能非常简单

# define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
#include<list>using namespace std;int main()
{list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);//迭代器list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";it++;}cout << endl;//范围forfor (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;//逆置lt.reverse();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;//排序lt.sort();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;//节点转移list<int> lt1;lt1.push_back(10);lt1.push_back(20);lt1.push_back(30);lt1.push_back(40);lt.splice(lt.begin(), lt1);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;for (auto e : lt1){cout << e << " ";}cout << endl;return 0;
}

运行结果：

1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
5 4 3 2 1
1 2 3 4 5
10 20 30 40 1 2 3 4 5

list中sort效率测试

表示双向循环链表以及数据初始化：

void test_op()
{srand((unsigned int)time(NULL));const int N = 1000000;vector<int> v;v.reserve(N);list<int> lt1;list<int> lt2;for (int i = 0; i < N; ++i){int e = rand();lt1.push_back(e);lt2.push_back(e);}// 拷贝到vector排序，排完以后再拷贝回来int begin1 = clock();for (auto e : lt1){v.push_back(e);}sort(v.begin(), v.end());size_t i = 0;for (auto& e : lt1){e = v[i++];}int end1 = clock();//list调用自己的sortint begin2 = clock();lt2.sort();int end2 = clock();printf("vector sort:%d\n", end1 - begin1);printf("list sort:%d\n", end2 - begin2);
}

测试结果发现，list的sort排序效率很低，在实际应用中使用的很少

list的简单模拟

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

模板类ListNode表示双向链表中的节点。该节点包括三个成员：_next（指向下一个节点的指针）、_prev（指向上一个节点的指针）和 _data（存储节点的数据）。
定义了一个构造函数，用于初始化节点的数据成员，如果不提供具体的数据，则使用默认值进行初始化。

---

实现简单的双向循环链表：

template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public:list(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}void push_back(const T& x){Node* newnode = new Node(x);Node* tail = _head->_prev;tail->_next = newnode;newnode->_next = _head;_head->_prev = newnode;}private:Node* _head;};

定义了一个模板类 list，实现了简单的双向循环链表。在 list 中，使用了之前定义的 ListNode 作为节点，通过模板类的方式实现了对不同类型元素的支持。

构造函数中，创建了一个头节点，并将头节点的 _next 和 _prev 都指向自身，构成一个空的循环链表。

list(): 这是类的构造函数，用于初始化链表。在构造函数中，首先创建了一个头节点 _head，然后将头节点的 _next 和 _prev 都指向自身，从而形成一个空的循环链表。

void push_back(const T& x): 这是一个成员函数，用于在链表尾部插入新的元素。在函数中，首先创建了一个新的节点 newnode 并存储数据 x，然后找到当前尾节点 tail，将尾节点的 _next 指向新节点，新节点的 _next 指向头节点，头节点的 _prev 指向新节点，从而完成了新元素的插入。

---

封装迭代器

封装迭代器：

• 定义了一个名为ListIterator的模板类

template<class T>
class ListIterator
{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T> Self;Node* _node;

typedef ListIterator<T> Self;：定义了一个别名Self，它代表了当前类的类型，这样就可以在类内部使用Self来引用当前类的对象。
Node* _node;：声明了一个指针成员变量_node，它用于指向链表中的节点。

• 成员函数的定义：

public:ListIterator(Node* node):_node(node){}

构造函数ListIterator(Node* node)：接受一个指向链表节点的指针作为参数，将其赋值给成员变量_node。

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

解引用操作符operator*()：返回当前迭代器指向的节点的数据成员的引用。

Self& operator++()
{_node = _node->_next;return *this;
}

前置递增操作符operator++()：将迭代器指向下一个节点，并返回递增后的迭代器自身的引用。

    Self operator++(int){Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}

后置递增操作符operator++(int)：创建当前迭代器的副本tmp，然后将迭代器指向下一个节点，并返回tmp。

    Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}Self operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}

置和后置递减操作符的定义与递增操作符类似，只不过是将迭代器指向前一个节点。

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

不等于操作符operator!=：比较两个迭代器的_node成员，如果它们不相等，则返回true；否则返回false。

源代码：

template<class T>struct ListConstIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListConstIterator<T> Self;Node* _node;ListConstIterator(Node* node):_node(node){}// *itconst T& operator*(){return _node->_data;}// it->const T* operator->(){return &_node->_data;}// ++itSelf& 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;}bool operator==(const Self& it){return _node == it._node;}};

关于链表开始和结束的定义：

typedef ListConstIterator<T> iterator;iterator begin(){return iterator(_head->_next);}iterator end(){return iterator(_head);}

begin()函数返回一个迭代器，它指向链表中的第一个元素（也就是头节点的下一个节点）。
end()函数返回一个迭代器，它指向链表中最后一个元素的下一个位置（也就是头节点本身）。

---

insert模拟

模拟实现insert：

		void insert(iterator pos, const T& val){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(val); Node* prev = cur->_prev;//prev newnode curprev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;}

---

erase模拟

模拟实现erase：

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

注意：最后，返回一个指向下一个节点的迭代器，以便在调用方继续操作链表。

---

头插、尾插、头删、尾删模拟

在刚刚插入和删除的基础上，模拟实现头插、尾插、头删、尾删：

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());}

自定义类型迭代器遍历

自定义一个结构体A，然后进行插入删除操作：

struct A{int _a1;int _a2;A(int a1=0,int a2=0):_a1(a1),_a2(a2){}};void test_list2(){list<A> lt;A aa1(1, 1);A aa2 = { 2,2 };lt.push_back(aa1);lt.push_back(aa1);lt.push_back(A(2, 2));lt.push_back({ 3,3 });lt.push_back({ 4,4 });list<A>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}

运行一下，报错了！！！

解决方法有两种：

• 第一种：
  在循环内部，通过cout << (*it)._a1 << ":" << (*it)._a2 << endl;语句打印当前迭代器it指向的A类型对象的_a1和_a2成员变量的值，中间用冒号分隔，并在末尾换行。这里使用了解引用操作符(*)来获取迭代器指向的对象，然后通过点操作符(.)访问对象的成员变量_a1和_a2
(*it)._a1: (*it)是迭代器it指向的元素，即链表中的一个A类型对象，.是成员访问运算符，_a1是这个A类型对象的成员变量_a1的值。所以(*it)._a1表示获取当前迭代器指向的对象的_a1成员变量的值。

	void test_list2(){list<A> lt;A aa1(1, 1);A aa2 = { 2,2 };lt.push_back(aa1);lt.push_back(aa1);lt.push_back(A(2, 2));lt.push_back({ 3,3 });lt.push_back({ 4,4 });list<A>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << (*it)._a1 << ":" << (*it)._a2 << endl;++it;}cout << endl;}

---

• 第二种：
  定义了一个operator->()重载函数，箭头运算符用于访问对象的成员，而对于指向对象的指针，使用箭头运算符来访问成员会更方便
  const T*: 这是函数的返回类型，表示返回一个指向类型为T的常量数据的指针。也就是说，该函数返回的是一个指向T类型常量数据的指针。
  operator->(): 这是重载的箭头运算符函数名。当我们通过指向某个对象的指针使用箭头运算符时，就会调用此函数来执行操作。
  { return &_node->_data; }: 函数体内部，返回了一个指向_node->_data的指针。在这里，_node是一个指向节点的指针，_data是节点中存储的数据。通过返回&_node->_data，实际上是返回了指向节点数据的指针。

// it->
const T* operator->()
{return &_node->_data;
}

遍历：

void test_list2(){list<A> lt;A aa1(1, 1);A aa2 = { 2,2 };lt.push_back(aa1);lt.push_back(aa1);lt.push_back(A(2, 2));lt.push_back({ 3,3 });lt.push_back({ 4,4 });list<A>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl;++it;}cout << endl;}

it->_a1和it->_a2就是使用迭代器it来访问链表中当前元素的成员变量_a1和_a2的值。这里的it->_a1和it->_a2相当于(*it)._a1和(*it)._a2

const迭代器

cont迭代器是迭代器指向的内容不能修改

注意：

• const_iterator是迭代器指向的内容不能修改，迭代器指向的元素不可修改，模拟实现的是const T* p2
• const iterator是迭代器本身不能修改，这个const修饰的是iterator，iterator是自定义类型，前面加了const那就是不能修改这个自定义类型，模拟实现的是T* const p1

const_iterator begin() const{return iterator(_head->_next);}const_iterator end() const{return iterator(_head);}

void PrintList(const list<int>& clt){list<int>::const_iterator it = clt.begin();while (it != clt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}void test_list3(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);PrintList(lt);}

使用模板封装一个迭代器：

template<class T, class Ref, class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* _node;ListIterator(Node* node):_node(node){}// *it//T& operator*()Ref operator*(){return _node->_data;}// it->//T* operator->()Ptr operator->(){return &_node->_data;}// ++itSelf& 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;}bool operator==(const Self& it){return _node == it._node;}};

template<class T, class Ref, class Ptr>：模板声明，用来定义模板类 ListIterator，它有三个模板参数 T、Ref 和 Ptr。

在这个模板类中，class T、class Ref 和 class Ptr 是模板参数，它们的作用如下：

1. T：表示节点中存储的数据类型。通过模板参数 T，可以让 ListIterator 类型适用于不同类型的链表，例如整数、字符串、自定义对象等。
2. Ref：表示引用类型。在 C++ 中，引用类型通常用来表示对某个对象的引用，通过模板参数 Ref，可以指定迭代器返回的数据的引用类型，例如 T&（对 T 类型的对象的引用）。
3. Ptr：表示指针类型。通过模板参数 Ptr，可以指定迭代器返回数据的指针类型，例如 T*（指向 T 类型的指针）。
   

clear和析构函数

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

• clear() 方法：
  首先创建一个迭代器 it 并初始化为链表的头部（即第一个节点）。
  然后通过循环遍历链表中的每个节点，调用 erase() 方法来删除当前节点，并将返回的下一个节点的迭代器赋值给 it。
  循环直到 it == end()，即遍历完整个链表。

• 析构函数 ~list()：
  在析构函数中首先调用 clear() 方法，清空链表中的所有节点。
  然后释放链表的头节点 _head 所占用的内存，避免内存泄漏。
  最后将 _head 指针设置为 nullptr，确保不再指向已释放的内存。

通过在析构函数中调用 clear() 方法，可以确保在销毁链表对象时，先清空链表中的所有节点，然后再释放头节点的内存。这样做有助于避免内存泄漏，并正确地释放链表所占用的资源。

拷贝构造（传统写法）

void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}list(){empty_init();}// lt2(lt1)list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}}

• empty_init() ：
  初始化空的链表。它创建了一个新的节点作为头结点，并将头结点的指针指向自己，形成一个循环链表。同时，将链表的大小 _size 初始化为 0。

• 默认构造函数 list()：
  在这个构造函数中，它调用了 empty_init() 方法来初始化一个空的链表。

• 拷贝构造函数 list(const list& lt)：
  这个构造函数通过调用 empty_init() 方法来初始化一个空的链表（即新建一个头结点）。然后通过遍历传入的链表 lt，将其中的元素逐个添加到新建的链表中，使用 push_back(e) 方法将元素添加到新链表的末尾。

拷贝构造（现代写法）

void swap(list<T>& lt)
{std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);
}// lt1 = lt3
list<T>& operator=(list<T> lt)
{swap(lt);return *this;
}

• swap：
  交换两个链表对象的内容。它通过调用 std::swap 函数交换当前链表对象的头结点 _head 和大小 _size 与传入的链表对象 lt 的对应成员的值。这样可以在不需要额外内存分配的情况下快速交换两个链表的内容。

• 赋值运算符重载函数 operator=：
  这个赋值运算符重载函数接受一个传值参数 lt，在函数内部会对传入的链表 lt 调用 swap 方法，将传入链表的内容与当前链表对象进行交换。
  通过传值参数的方式，会触发拷贝构造函数，从而创建传入链表 lt 的一个副本。然后，调用 swap(lt) 来交换当前链表对象和副本链表对象的内容，最终实现将传入链表 lt 中的内容赋值给当前链表对象。
  最后，返回 *this，即当前链表对象的引用，以支持链式赋值操作。

源码

#pragma once
#include<assert.h>
namespace gwj
{template<class T>struct ListNode{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;ListNode(const T& x = T()):_next(nullptr), _prev(nullptr), _data(x){}};//typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;//typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;template<class T, class Ref, class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* _node;ListIterator(Node* node):_node(node){}// *it//T& operator*()Ref operator*(){return _node->_data;}// it->//T* operator->()Ptr operator->(){return &_node->_data;}// ++itSelf& 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;}bool operator==(const Self& it){return _node == it._node;}};//template<class T>//struct ListConstIterator//{//	typedef ListNode<T> Node;//	typedef ListConstIterator<T> Self;//	Node* _node;//	ListConstIterator(Node* node)//		:_node(node)//	{}//	// *it//	const T& operator*()//	{//		return _node->_data;//	}//	// it->//	const T* operator->()//	{//		return &_node->_data;//	}//	// ++it//	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;//	}//	bool operator==(const Self& it)//	{//		return _node == it._node;//	}//};template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public://typedef ListIterator<T> iterator;//typedef ListConstIterator<T> const_iterator;typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//iterator begin()//{//	//return iterator(_head->_next);//	iterator it(_head->_next);//	return it;//}iterator begin(){return _head->_next;}iterator end(){return _head;}// const迭代器，需要是迭代器不能修改，还是迭代器指向的内容？// 迭代器指向的内容不能修改！const iterator不是我们需要const迭代器// T* const p1// const T* p2const_iterator begin() const{return _head->_next;}const_iterator end() const{return _head;}void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}list(){empty_init();}// lt2(lt1)list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}}void swap(list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}// lt1 = lt3list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}// 需要析构，一般就需要自己写深拷贝// 不需要析构，一般就不需要自己写深拷贝，默认浅拷贝就可以void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}//void push_back(const T& x)//{//	Node* newnode = new Node(x);//	Node* tail = _head->_prev;//	tail->_next = newnode;//	newnode->_next = _head;//	_head->_prev = newnode;//}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());}void insert(iterator pos, const T& val){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(val); Node* prev = cur->_prev;//prev newnode curprev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;_size++;}iterator erase(iterator pos){Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;_size--;return iterator(next);}bool empty(){return _size == 0;}private:Node* _head;size_t _size;};void test_list1(){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.push_front(10);lt.push_front(20);lt.push_front(30);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.pop_back();lt.pop_front();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;}struct A{int _a1;int _a2;A(int a1=0,int a2=0):_a1(a1),_a2(a2){}};void test_list2(){list<A> lt;A aa1(1, 1);A aa2 = { 2,2 };lt.push_back(aa1);lt.push_back(aa1);lt.push_back(A(2, 2));lt.push_back({ 3,3 });lt.push_back({ 4,4 });list<A>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){//cout << (*it)._a1 << ":" << (*it)._a2 << endl;cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl;++it;}cout << endl;}void PrintList(const list<int>& clt){list<int>::const_iterator it = clt.begin();while (it != clt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}void test_list3(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);lt.push_back(5);PrintList(lt);list<int> lt1(lt);PrintList(lt1);}
}