list的模拟实现

一、list的概念引入

1.vector与list的对比

为什么会有list？

补充vector的缺点存在的

vector缺点：

1.头部和中部的插入删除效率低，O（N）因为需要挪动数据。

2.插入数据空间不够需要增容。增容需要开新空间、拷贝数据、会付出很大的代价。

优点：

1、支持下标的随机访问。间接的就很好的支持排序、二分查找、堆算法等等。

list出厂就是为了解决vector的缺陷

优点：

1.list头部、中间插入不再需要挪动数据，效率高。O（1）

2.list插入数据是新增节点，不需要增容

缺点：

不支持随机访问。

2.关于struct和class的使用

C++中的struct和class的唯一区别在于默认访问权限（即你不写public、private这种访问限定符）不同，struct默认为共有（public），而class默认为私有（private），一般情况，成员部分私有，部分公有，就用class，所有成员都开放或共有，就用struct

所以下文写的节点和迭代器类都用struct是因为，struct中的成员函数都默认为公有理，也不用写public了，但是你用class就要写个public

3.list的迭代器失效问题

list本质：带头双向循环链表

支持操作接口的角度分迭代器的类型：单向（forward_list）、双向（list）、随机（vector）

从使用场景的角度分迭代器的类型：（正向迭代器、反向迭代器）+const迭代器

二、list的模拟实现

1.list三个基本函数类

list本质是一个带头双向循环链表：

模拟实现list，要实现下列三个类

1) 模拟实现结点类

2) 模拟实现迭代器的类

3) 模拟实现list主要功能的类

list的类的模拟实现其基本功能（增删等操作）要建立在迭代器类和节点类均已实现好的情况下才得以完成。

2.list的结点类实现

因为list的本质为带头双向循环链表，所以其每个结点都要确保有下列成员：

1.前驱指针

2.后继指针

3.data值存放数据

而结点类的内部只需要实现一个构造函数即可。

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

为什么是_list_node<T>？

首先，C++中用struct定义是可不加struct，重点是这里用了一个类模板，类模板的类名不是真正的类型且类模板不支持自动推类型，即_list_node不是真正的类型，定义变量时，_list_node<T>这种才是真正的类型，也就是用类模板定义变量时必须指定对应的类型。

注：结构体模板或类模板在定义时可不加<T>,但使用时必须加<T>。

3.list的迭代器类的实现

因为list其本质就是带头双向循环链表，而链表的物理空间是不连续的，是通过结点的指针顺次链接，我们不能向先前的string和vector一样直接解引用还是结点，结点指针++还是结点指针，而string和vector的物理空间是连续的，所以这俩不需要实现迭代器类，可以直接使用。

为了能让list像vector一样接应用后访问对应节点中的值，++访问到下一个数据，我们需要单独写一个迭代器类的接口实现，在其内部进行封装补齐相应的功能，而这就要借助运算符重载来完成。

注：迭代器封装后是想模拟指针的行为

3.1 基本框架

template<class T,class Ref,class Ptr>
struct _list_iterator
{
	typedef _list_node<T> Node;
	typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr>Self;
	Node* _node;
};

1）迭代器类模板为什么要三个参数？

若只有普通迭代器的话，一个class T参数就够了，但因为有const迭代器原因，需要加两个参数，两个参数明Ref（reference:引用）和Ptr（pointer：指针），名字怎么起都行，但这种有意义的名字很推荐的，即这两个参数一个让你传引用，一个让你传指针，具体等到下文讲到const迭代器再说

2）迭代器类到底是什么？

迭代器类就是一个结点的指针变量_node，但是因为我们要运算符重载等一些列操作，不得不把迭代器写成类，完成哪些操作，list的迭代器才能正确的++到下一个位置，解引用访问节点的值。

3）结点指针和迭代器的区别？

当他们都指向同一个结点，那么在物理内存中他们都存的是这个结点地址，物理上是一样的，但是他们的类型不一样，他们的意义就不一样。比如*cur是一个指针的解引用，取到的值是结点；*it是去调用迭代器中“ * ”的运算符重载operator*，返回值是结点中存的值。

类型决定了对空间的解释权

3.2 构造函数

_list_iterator(Node* node)
	:_node(node)
{}

3.3 operator*

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

1）返回值为什么是Ref？

Ref是模板参数，因为迭代器类的模板参数Ref传入的要么是T&，要么是const T&，就是为了const迭代器和普通迭代器的同时实现，底层就是这么实现的，意义就是一个只读，一个可读可写

注：比如之前讲的vector的迭代器，*it（假设it是迭代器变量）就是拿到对应的值，那么list的迭代器也要同理，解引用迭代器就是为了访问对应位置的值，那么list只要通过迭代器返回对应结点的值就好了。

3.4 operator->

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

1）为什么需要operator->?

本质因为自定义类型需要，那需从list存的类型是个自定义类型说起，以Date类说明。若list存了个自定义类型的Date类，就无法打印，因为我们并没有重载Date类的operator<<,若是内置类型的话才可以正常输出，那写一个operator<<重载吗？不，因为你无法确定要用那些类，也不能每个类都写operator<<，怎么半？我们访问Date类本质是想访问它内置类型（int）的_year,_month,_day吧，那我们不妨写个专属于自定义类型的operator-> (因为内置类型只需要*it就可以直接输出了，但自定义类型不可以直接输出)，利用operator->直接访问类的成员变量，而内置类型可以直接输出

故从根源上解决问题：在迭代器中实现个operator->:

(Ptr是迭代器的模板参数，我们用来作为T*或const T*的)

3.5 operator前置++和后置++和--

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;
}

1）迭代器++对于list是什么意思？

迭代器++的意思就是想让其指向下一个节点，--正好相反，为了区分前置和后置++（--），我们会用函数重载，也就是多一个“没用的”参数：int，这个参数没什么用，只是为了区分++和--

3.6 operator==与operator！=

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

两个迭代器怎么比较的？

迭代器中就一个成员变量_node,结点指针，只要比较当前结点指针是否相同即可，这个操作在判断迭代器是否走到头有用。

问题：迭代器的拷贝构造、赋值和析构函数需要我们实现吗？

答：不需要

因为迭代器存的就是一个节点指针，而节点是属于链表list的，那么它的释放应有list来实现，那么迭代器的析构也无需我们自己写了。总而言之，迭代器并不涉及从堆上开空间，使用系统提供的浅拷贝就可以了。

4、list类的实现

在节点类和迭代器类都实现的前提下，就可实现list主要功能：增删等操作的实现

4.1 基本框架

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;
};

const_iterator(const迭代器的介绍)

我们知道const_iterator在begin()和end()中的返回值是需要用到的，其主要作用就是当迭代器只读时使用，因为普通迭代器和const迭代器的实现区别仅仅在于成员函数的返回值不同，难道重写一遍吗？不用，我们模板参数多两个就好了，一个是引用class Ref(T&或const T&)，一个是指针class Ptr(T*或const T*)，当Ref时const T&就是const迭代器的调用，这就利用模板实现了两个迭代器的同时实现。

4.2 构造函数

list()
{
	_head = new Node;
	_Head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
}

我们开辟一个头结点，然后使其处于一个对应的初始状态即可。

4.3 begin()和end()

iterator begin()
{	//第一个位置应该是头节点的下一个节点
	return iterator(head->_next);//用匿名对象构造iterator类型的
}
iterator end()
{
	return iterator(_head);
}
 
const_iterator begin()const
{
	return const_iterator(head->next);
}
const_iterator end()const
{
	return const_iterator(_head);
}

1）关于匿名构造的理解

比如iterator(_head->next);iterator是一个类模板类型(它被typedef过)，那不应该实例化一个对象再构造吗？这里没有用是因为这里是匿名对象的构造，这里这么用比较方便。

4.4拷贝构造

list(const list<T>& It)
{
	_head = new Node;
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
 
	for (auto e : lt)
	{
		push_back(e);
	}
}

解释：list的拷贝构造跟vector不同，它的拷贝是拷贝一个个节点（因为不连续的物理空间），那么我们可以用迭代器拿到list的一个个节点【上面是传统写法】

现代写法：

template<class Inputerator>
list(Inputerator first, Inputerator last)
{
	_pHead = new Node();
	_pHead->next = _pHead;
	_pHead->prev = _pHead;
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		first++;
	}
}
//拷贝构造（现代写法）
list(const list<T>& L)
{
	_pHead = new Node();
	_pHead->next = _pHead;
	_pHead->prev = _pHead;
	list<T> tmp(L.begin(), L.end());
	swap(_pHead, tmp._pHead);
}

1）为什么有的拷贝构造需要初始化，operator=不需要？

以string 的模板实现为例

4.5 clear

void clear()
{
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		it = erase(it);
	}
}

1） it=erase（it）什么意思

防止迭代器失效，因为erase返回的是被删除位置的下一个位置，比如删除pos位置的，pos位置被删除后，这个位置的迭代器就失效了，那就无法通过++找到后面的位置了，所以我们通过erase返回值来更新一下迭代器位置，即更新到被删除位置的下一个位置

4.6 operator=

list<T>& operator=(list<T> lt)
{
	swap(_head, lt._head);
	return *this;
}

4.7 析构函数

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

4.8 insert

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	Node* newnode = new Node(x);
	//找到pos位置的指针和pos之前的指针
	Node* cur = pos._node;
	Node* prev = cur->_prev;
 
	//prev newnode cur
	prev->_next = newnode;
	newnode->_prev = prev;
	newnode->_next = cur;
	cur->_prev = newnode;
 
	//返回新插入元素的迭代器位置
	return iterator(newnode);
}

1）返回参数为什么是iterator？

本质是为了防止迭代器失效问题

注：insert指的是插入到指定位置的前面

4.9 push_back和push_front

void push_back(const T& x)
{
	Node* tail = head->prev;
	Node* newnode = new Node(x);
 
	tail->_next = newnode;
	newnode->_prev = tail;
	newnode->_next = _head;
	_head->_prev = newnode;
}

4.10 erase

iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos != end())
	{
		Node* cur = pos._node;
		Node* prev = cur->_prev;
		NOde* next = cur->_next;
 
		prev->_next = next;
		next->_prev = prev;
		delete cur;
 
		return iterator(next);
	}
}

返回值问题

erase的返回值，返回的是被删除位置的下一个位置，库里面这么规定，本质是因为删除元素一定会导致此位置的迭代器失效，故返回被删除位置的下一个位置可以更新迭代器

4.11pop_back和pop_front

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

三、源代码

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
 
namespace lf
{
	template <class T>
	struct listNode
	{
		T Data;
		listNode<T>* _next;
		listNode<T>* _prev;
		
		listNode(const T& val = T())
			:Data(val)
			,_next(nullptr)
			,_prev(nullptr)
		{}
	};
 
	template <class T,class Ref,class Ptr>
	struct list_Iterator
	{
		typedef listNode<T> node;
		typedef list_Iterator<T, Ref, Ptr> Self;
 
		node* _node;
 
		list_Iterator(node* node)
			:_node(node)
		{}
 
		Ref operator*()
		{
			return _node->Data;
		}
		Ptr operator->()
		{
			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& it)const
		{
			return _node != it._node;
		}
		bool operator==(const Self& it)const
		{
			return _node == it._node;
		}
	};
 
	
	template <class T>
	class list
	{
		typedef listNode<T> node;
	public:
		typedef list_Iterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef list_Iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
		iterator begin()
		{
			return iterator(_head->_next);
		}
		iterator end()
		{
			return iterator(_head);
		}
		const_iterator begin() const
		{
			return const_iterator(_head->_next);
		}
		const_iterator end() const
		{
			return const_iterator(_head);
		}
		void empty_init()
		{
			_head = new node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
		list()
		{
			empty_init();
		}
		list(const list<T>& lt)
		{
			empty_init();
			for (auto e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}
		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}
		
		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			swap(_head, lt._head);
 
			return *this;
		}
		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
		}
		// prev head next     2 head 1
		iterator erase(iterator pos)
		{
			node* cur = pos._node;
			node* prev = cur->_prev;
			node* next = cur->_next;
 
			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete cur;
			cur = nullptr;
			return iterator(next);
		}
		// 1 2 newnode head
		void insert(iterator pos,const T& val)
		{
			node* newnode = new node(val);
			node* cur = pos._node;
			node* prev = cur->_prev;
 
			newnode->_next = cur;
			cur->_prev = newnode;
			prev->_next = newnode;
			newnode->_prev = prev;
		}
		void push_back(T val)
		{
			insert(end(), val);
		}
		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}
	private:
		node* _head;
	};
 
	void test_list1()
	{
		list<int> lt1;
		list<int>::iterator it = lt1.begin();
		lt1.insert(it, 1);
		lt1.push_back(2);
		lt1.push_back(3);
		//lt1.pop_back();
		list<int>::iterator it1 = lt1.end();
		//lt1.erase(--it1);
		/*for (auto _begin = lt1.begin(), _end = lt1.end(); _begin != _end; ++_begin)
		{
			cout << *_begin << " ";
		}*/
		lt1.clear();
		for (auto e : lt1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		//cout << *it << endl;
 
	}
	void test_list2()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		list<int> lt1(lt);
		lt.push_back(4);
		lt.push_back(5);
		lt.push_back(6);
		lt.push_back(7);
		
		lt1 = lt;
		lt.operator=(lt1);
		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
		for (auto e : lt1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}
};