list模拟实现【C++】

全部的实现代码放在了文章末尾

准备工作

创建两个文件，一个头文件mylist.hpp，一个源文件test.cpp

【因为模板的声明和定义不能分处于不同的文件中，所以把成员函数的声明和定义放在了同一个文件mylist.hpp中】
mylist.hpp：存放包含的头文件，命名空间的定义，成员函数和命名空间中的函数的定义

test.cpp：存放main函数，以及测试代码

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包含头文件

1. iostream：用于输入输出

2. assert.h：用于使用报错函数assert

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定义命名空间

在文件mylist.hpp中定义上一个命名空间mylist
把list类和它的成员函数放进命名空间封装起来，防止与包含的头文件中的函数/变量重名的冲突问题

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类的成员变量

参考了stl源码中的list的实现，stl中list的底层链表是双向带头循环链表
【可以看我这篇文章了解双向带头循环链表的实现：链表的极致——带头双向循环链表】
成员变量只有一个，就是指向双向带头循环链表的头节点的指针。

节点类：
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为什么节点类是用struct而不是class呢？

因为节点类里面的成员变量在实现list的时候需要经常访问，所以需要节点类的成员变量是公有的【使用友元也可以，但是比较麻烦】
struct的默认访问权限就是公有，不用加访问限定符了，stl中实现的节点类也是struct
class的默认访问权限是私有的

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list类：
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ZKrXfgK4-1720663070798)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/2546f7b1d9fe49029c3dc6aa0fd84f00.png#pic_center)]

为什么要写get_head_node?

因为插入节点之前必须要有头节点
所以把创建初始头节点的操作写成了一个函数，用于
所有构造函数插入节点之前进行申请头节点

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迭代器

因为list存储数据的方式是创建一个一个的节点存储数据
所以存储数据的空间不是连续的，所以不能直接用指针作为迭代器

因为指向一个节点的指针直接++,是不一定能指向下一个节点的

所以要把迭代器实现成一个类，这样才可以正确地支持++，- -，*等操作

迭代器在list类里的实例化和重命名

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-qjqNyMDi-1720663070799)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/506afbbbf0534c61b435d2d371e2113d.png#pic_center)]

普通迭代器

template<class T, class R, class F>
struct Iterator
{把自己的类型重命名一下typedef Iterator<T, R, F> Self;成员变量的类型是 双向带头循环链表的节点类型listnode<T>* _n;Iterator(listnode<T>*l=nullptr) 构造函数{_n = l;}Self& operator++()前置++{++就是指向下一个节点_n = _n->_next;return *this;}Self operator++(int)  后置++{Self tmp =*this;  先记录一下++之前的值_n = _n->_next;  再++return tmp;}Self& operator--()  前置--{--就是指向上一个节点_n = _n->_prev;return *this;}Self operator--(int) 后置--{Self tmp = *this; 先记录一下--之前的值_n = _n->_prev;  再--return tmp;}R operator*()const{类比指针*就是获取  节点中存储的数据return _n->_data;}F operator->()const{返回  节点中 存储数据的成员变量的  地址return &(_n->_data);}bool operator!=(const Self&obj)const{return _n != obj._n;}bool operator==(const Self& obj){return !(*this != obj);}
};

operator->()的作用是什么？

为了实现：
当节点中存储的数据是自定义类型的变量时，可以直接使用 迭代器->访问自定义类型中的成员
【原来访问需要调用两次->，为了可读性，省略了一个->】

例
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-kD0EkJ8j-1720663070800)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/68c293cf351f423fb9a05da5b82d6196.png#pic_center)]

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const迭代器

const迭代器与普通迭代器的区别是什么？
区别就只有==不能通过const迭代器改变节点中存储的数据==

转换一下就是：

1. 不能使用迭代器的operator*()改变节点中存储的数据，即把operator*()的返回值改成const T&就可以了
2. 不能使用迭代器的operator->()改变节点中存储的数据的成员，即把operator->()的返回值改成const T*就可以了

所以const迭代器与普通迭代器的区别就只有两个函数的返回值类型不同，所以增加两个模板参数：R和F

普通迭代器实例化时:R就是T&，F就是T*
const迭代器实例化：R就是const T&，F就是const T*

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反向迭代器

反向迭代器与普通迭代器的实现上的区别就是：
普通迭代器++是指向下一个节点
反向迭代器++是指向上一个节点
普通迭代器- -是指向上一个节点
反向迭代器- -是指向下一个节点

template<class T, class R, class F>
struct Reverse_iterator
{把自己的类型重命名一下typedef Reverse_iterator<T, R, F> Self;成员变量的类型是 双向带头循环链表的节点类型listnode<T>* _n;Reverse_iterator(listnode<T>* l) 构造函数{_n = l;}Self& operator++(){反向迭代器++，是移动到  前  一个节点_n = _n->_prev;return *this;}Self operator++(int){Self tmp = *this;_n = _n->_prev;return tmp;}Self& operator--(){反向迭代器--，是移动到  后  一个节点_n = _n->_next;return *this;}Self operator--(int){Self tmp = *this;_n = _n->_next;return tmp;}R operator*()const{return _n->_data;}F operator->()const{return &(_n->_data) ;}bool operator!=(const Self& obj)const{return _n!=obj._n;}bool operator==(const Self& obj)const{return !(*this != obj);}
};

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迭代器的获取

iterator begin()
{头节点的下一个节点 才是第一个节点return _head->_next;
}const修饰的对象只能调用const修饰的成员函数
const_iterator begin()const
{头节点的下一个节点 才是第一个节点return _head->_next;
}iterator end()
{最后一个节点的下一个节点是  头节点因为是循环链表return _head;
}const修饰的对象只能调用const修饰的成员函数
const_iterator end()const
{return _head;
}reverse_iterator rend()
{反向迭代器的rend返回的是第一个节点的   前一个节点return _head;
}const修饰的对象只能调用const修饰的成员函数
const_reverse_iterator rend()const
{return _head;
}
reverse_iterator rbegin()
{反向迭代器的rbegin()返回的是  最后一个节点最后一个节点是  头节点的前一个因为是循环链表return _head->_prev;
}const_reverse_iterator rbegin()const
{return _head->_prev;
}

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构造函数

默认构造

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1GgtecBB-1720663070800)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/90c95c5207f2461193a7424ceaff1e9a.png#pic_center)]

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使用n个val构造

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wtIPk0if-1720663070801)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/e72aeab61a5e4eac938b0b20fb9645f4.png#pic_center)]

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迭代器区间构造

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Xfp8vYpy-1720663070802)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/9c03aa701d1e4067bf92b0fa220e0918.png#pic_center)]

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解决迭代器区间构造 和 用n个val构造的冲突

当重载了迭代器区间构造和使用n个val构造的时候
如果传入的两个参数都是int类型的话就会报错

为什么？
因为在模板函数构成重载时，编译器会调用更合适的那一个
什么叫更合适？
就是不会类型转

如果传入的两个参数都是int类型，那么调用的应该是使用n个值构造，因为没有int类型的迭代器

但是使用n个值构造的第一个参数是size_t , int传进去要隐式类型转换
而调用迭代器区间构造，两个int的实参传进去，就会直接把InputIterator推导成int，不会发生类型转换，所以编译器会调用迭代器区间构造

解决方法：
再重载一个使用n个值构造的函数，把第一个参数改成int，这样根据模板偏特化，就会在都不类型转换时优先调用第一个参数特化成int的那个构造函数
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-qYHmqtjL-1720663070802)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/1dd1ac43d7e7464c9d36b43f26922525.png#pic_center)]

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initializer_list构造

写了这个构造函数，就可以支持直接使用{}初始化了
例
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-nzwhbmge-1720663070803)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/d80c8432dcf048999e714c96ff24d94b.png#pic_center)]

initializer_list是iostream库里面的自定义类型，它可以直接接收{ }里面的值 进行初始化，而且有迭代器

所以可以直接使用迭代器循环+尾插进行对list的构造
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-jMz3wcLb-1720663070803)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/a4069ab1989e43528048b1a7e1aec98f.png#pic_center)]

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拷贝构造

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-et0I5RLp-1720663070804)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/dbb9b340399c400f8081c14424aabfb6.png#pic_center)]

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析构函数

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ymsiGjft-1720663070804)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/5d56f67c54924a40b357464baeb17539.png#pic_center)]

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swap

只需要交两个list对象的头指针中存储的地址就可以了

因为两个list对象都有头结点，交换了头指针中存储的地址，就相当于把这两个对象的头指针的指向交换了，
而链表的所有节点都是由头节点出发去找到的

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-jY0TYhg6-1720663070805)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/f2a37ed2853348448b1ceb75e46d787d.png#pic_center)]

void swap(list& obj)
{调用库里面的swap，交换头指针std::swap(_head, obj._head);
}

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赋值运算符重载

list& operator= (list obj)
{swap(obj);return *this;
}

为什么上面的两句代码就可以完成深拷贝呢？
这是因为：

使用了传值传参，会在传参之前调用拷贝构造，再把拷贝构造出的临时对象作为参数传递进去

赋值运算符的左操作数，*this再与传入的临时对象obj交换，就直接完成了拷贝

在函数结束之后，存储在栈区的obj再函数结束之后，obj生命周期结束

obj调用析构函数，把指向的从*this那里交换来的不需要的空间销毁

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erase

删除pos迭代器指向的节点

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-lEoZYbB4-1720663070805)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/52c9e57f560f4af8b67d46f3bd0c7f4c.png#pic_center)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-L3ji5vVM-1720663070808)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/cf348bb14b83422f9bb24da46f5d11a1.png#pic_center)]

为什么要返回next？

因为使用了erase之后的迭代器会失效，需要提供更新的方法

为什么使用了erase之后的迭代器会失效？

因为pos指向的节点erase之后，节点被释放了

stl库里面规定erase的返回值是指向删除数据的下一个数据的迭代器，下一个数据就是next指向的数据，所以返回next【没有接收返回值的迭代器，在检测较严格的编译器中，不管指向的位置是否正确，都会禁止使用，使用了就报错】

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删除迭代器区间

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-WQ0tx5C9-1720663070809)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/af38f109bbbf4a578c86b6cba3001a80.png#pic_center)]

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insert

在迭代器pos之前插入一个节点

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-SyriqhUO-1720663070810)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/66a804199ba14c179a1dd878db168ea8.png#pic_center)]
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-BFOPpreV-1720663070810)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/600ce34d9a304e4286959dbba11c880c.png#pic_center)]

为什么要返回newnode?

list的迭代器pos在使用完insert之后其实是不会失效的

但是为了与其他容器的nsert的返回值进行统一，所以也返回了指向新插入的节点的迭代器

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在迭代器pos之前插入一个迭代器区间的数据

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-R7FlTK7F-1720663070811)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/d2549108a9314de4a9c74e4bdedb5ab2.png#pic_center)]

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push_back

复用insert即可

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

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push_front

复用insert即可

void push_front(const T& val)
{insert(begin(), val);
}

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pop_front

复用erese即可

void pop_front()
{erase(begin());
}

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pop_back

复用erese即可

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

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size

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empty

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-59VtLmPm-1720663070811)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/e2df88fd61c74ca0b90abe613cdd9e6a.png#pic_center)]

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back

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-N7sLJXsd-1720663070812)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/3774472c4f38438db90590472b159be5.png#pic_center)]

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front

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Jarz2two-1720663070812)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/3f74f58427864bf0bac0e5a93d555454.png#pic_center)]

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assign

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-9gevGVoC-1720663070814)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/4620fd900e984ce3900311a61ab68762.png#pic_center)]

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resize

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-69kXAjpz-1720663070814)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/d199dc1abebb4b17b161006eea102d00.png#pic_center)]

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clear

复用erase

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-NdJzlJjt-1720663070815)(https://i-blog.csdnimg.cn/direct/154c04d0e7504bc684e9d2ab98667ae0.png#pic_center)]

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全部代码

#include<iostream>
#include<assert.h>using namespace std;namespace mylist
{template<class T>struct listnode//双向带头循环链表的节点类{T _data;//节点存储的数据listnode* _next;//指向下一个节点的指针listnode* _prev;//指向前一个节点的指针};template<class T, class R, class F>struct Iterator{//把自己的类型重命名一下typedef Iterator<T, R, F> Self;//成员变量的类型是 双向带头循环链表的节点类型listnode<T>* _n;Iterator(listnode<T>*l=nullptr)//构造函数{_n = l;}Self& operator++()//前置++{//++就是指向下一个节点_n = _n->_next;return *this;}Self operator++(int)//后置++{Self tmp =*this;//先记录一下++之前的值_n = _n->_next;//再++return tmp;}Self& operator--()//前置--{//--就是指向上一个节点_n = _n->_prev;return *this;}Self operator--(int)//后置--{Self tmp = *this;//先记录一下--之前的值_n = _n->_prev;//再--return tmp;}R operator*()const{//类比指针//*就是获取  节点中存储的数据return _n->_data;}F operator->()const{//返回  节点中 存储数据的成员变量的  地址return &(_n->_data);}bool operator!=(const Self&obj)const{return _n != obj._n;}bool operator==(const Self& obj){return !(*this != obj);}};template<class T, class R, class F>struct Reverse_iterator{//把自己的类型重命名一下typedef Reverse_iterator<T, R, F> Self;//成员变量的类型是 双向带头循环链表的节点类型listnode<T>* _n;Reverse_iterator(listnode<T>* l)//构造函数{_n = l;}Self& operator++(){//反向迭代器++，是移动到  前  一个节点_n = _n->_prev;return *this;}Self operator++(int){Self tmp = *this;_n = _n->_prev;return tmp;}Self& operator--(){//反向迭代器--，是移动到  后  一个节点_n = _n->_next;return *this;}Self operator--(int){Self tmp = *this;_n = _n->_next;return tmp;}R operator*()const{return _n->_data;}F operator->()const{return &(_n->_data) ;}bool operator!=(const Self& obj)const{return _n!=obj._n;}bool operator==(const Self& obj)const{return !(*this != obj);}};template<class T>class list{//把双向带头循环链表的节点类型重命名成nodetypedef listnode<T> node;private:node* _head;//唯一的成员变量//获取初始头结点node* get_head_node(){//申请一个节点大小的空间node* tmp = new node;//最开始的头节点的prev和next都指向自己tmp->_next = tmp;tmp->_prev = tmp;return tmp;}public:typedef  Iterator<T, T&, T*> iterator;//普通迭代器typedef  Iterator<T, const T&, const T*>  const_iterator;//const迭代器typedef  Reverse_iterator<T, T&, T*>  reverse_iterator;//反向迭代器typedef  Reverse_iterator<T, const T&, const T*> const_reverse_iterator;//const反向迭代器list(){//获取头结点//为之后的插入操作做准备_head=get_head_node();}list(size_t n, const T& val=T()){//必须先获取头节点，才能进行插入数据_head = get_head_node();for (int i = 0; i < n; i++){push_back(val);//尾插n次}}template <class InputIterator>list(InputIterator first, InputIterator last){//必须先获取头节点，才能进行插入数据_head = get_head_node();while (first != last){//把解引用之后的值，一个一个尾插进去push_back(*first);first++;}}list(int n, const T& val = T()){//必须先获取头节点，才能进行插入数据_head = get_head_node();for (int i = 0; i < n; i++){push_back(val);}}list(initializer_list<T> il){//必须先获取头节点，才能进行插入数据_head = get_head_node();auto it = il.begin();while (it != il.end()){//把解引用之后的值，一个一个尾插进去push_back(*it);it++;}}list(const list& obj){//必须先获取头节点，才能进行插入数据_head = get_head_node();//使用const迭代器接收  const修饰的对象的迭代器const_iterator it = obj.begin();while (it != obj.end()){//把解引用之后的获得的值，一个一个尾插进去push_back(*it);it++;}}~list(){//先把list里面除了头结点//以外的节点全部删除clear();//再把头结点申请的空间释放delete _head;_head = nullptr;}list& operator= (list obj){swap(obj);return *this;}void swap(list& obj){//调用库里面的swap，交换头指针std::swap(_head, obj._head);}iterator begin(){//头节点的下一个节点 才是第一个节点return _head->_next;}//const修饰的对象只能调用const修饰的成员函数const_iterator begin()const{//头节点的下一个节点 才是第一个节点return _head->_next;}iterator end(){//最后一个节点的下一个节点是  头节点//因为是循环链表return _head;}//const修饰的对象只能调用const修饰的成员函数const_iterator end()const{return _head;}reverse_iterator rend(){//反向迭代器的rend返回的是第一个节点的   前一个节点return _head;}//const修饰的对象只能调用const修饰的成员函数const_reverse_iterator rend()const{return _head;}reverse_iterator rbegin(){//反向迭代器的rbegin()返回的是  最后一个节点//最后一个节点是  头节点的前一个//因为是循环链表return _head->_prev;}const_reverse_iterator rbegin()const{return _head->_prev;}void push_back(const T&val){/*node* tail = _head->_prev;node* newnode = new node;newnode->_data = val;newnode->_next = _head;newnode->_prev = tail;tail->_next = newnode;_head->_prev = newnode;*/insert(end(), val);}iterator erase(iterator pos){//不能  把 头节点 给删了assert(pos!=end());//记录pos的前一个节点（prev） // 和后一个节点（next）node* prev = pos._n->_prev;node* next = pos._n->_next;//让prev的下一个节点变成nextprev->_next = next;//让prev的上一个节点变成nextnext->_prev = prev;//释放pos指向的节点delete pos._n;//返回被删除的节点的下一个节点//用于更新迭代器return next;}iterator erase(iterator first, iterator last){iterator it = first;while (it != last){//删除it指向的节点//删除后让it接收返回值，进行更新it = erase(it);}//返回被删除的  最后一个节点  的下一个节点//用于更新迭代器return last;}bool empty() const{//size==0就   是空    返回true//size!=0就   不是空  返回falsereturn size() ==0 ;}size_t size()const {//用count记录节点个数size_t count = 0;//使用const迭代器接收  const修饰的对象的迭代器const_iterator it = begin();//遍历链表while (it != end()){count++;++it;}return count;}T& back(){//list不能为空，为空就报错assert(!empty());//end（）返回的迭代器指向  头结点//头结点的上一个节点就是，最后一个节点//因为是循环链表return *(--end());}//const修饰的成员，只能调用const修饰的成员函数const T& back() const{assert(!empty());return *(--end());}T& front(){//list不能为空，为空就报错assert(!empty());//begin()返回的迭代器  就指向第一个节点return *begin();}//const修饰的成员，只能调用const修饰的成员函数const T& front()const{assert(!empty());return *begin();}template <class InputIterator>void assign(InputIterator first, InputIterator last){//先把数据现有的节点(除了头结点)都删除clear();//再循环把数据一个一个尾插进去while (first != last){//尾插push_back(*first);first++;}}void assign(size_t n, const T& val){clear();for (int i = 0; i < n; i++){push_back(val);}}void assign(int n, const T& val){clear();for (int i = 0; i < n; i++){push_back(val);}}iterator insert(iterator pos, const T& val){//记录指向 pos 前一个节点的指针node* prev = pos._n->_prev;//申请新节点的空间node* newnode = new node;//存储数据newnode->_data = val;newnode->_next = pos._n;newnode->_prev = prev;prev->_next = newnode;pos._n->_prev = newnode;//返回指向新插入的节点的迭代器//用于更新迭代器return newnode;}template <class InputIterator>void insert(iterator pos, InputIterator first, InputIterator last){while (first!=last){//循环插入即可//因为list的迭代器使用完insert之后 不会失效//所以不用接收返回值  也可以insert(pos,*first);first++;}}void push_front(const T& val){insert(begin(), val);}void pop_front(){erase(begin());}void pop_back(){erase(--end());}void resize(size_t n, const T& val = T()){//获取一下size，加快后续比较效率//因为获取size()的时间复杂度为  O(N)size_t size = this->size();if (n > size){//缺失的数据用val填上//填到size()==n为止while (size < n){push_back(val);++size;}}else {//把多出来的数据（节点）删除//删除到n==size()为止while (n < size){pop_back();n++;}}}void clear(){//[begin(),end())之间的数据//就是所有的有效数据(节点)//复用erase删除即可erase(begin(), end());}};
}