C++list类模拟实现
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了C++list类模拟实现相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
C++list类模拟实现
list类的基本结构
xxxxSTL中list是一个双向带头循环链表。除了头结点不存储有效信息外，其余node结点存储有效信息。同时，为了防止代码冗余，对于存储信息类型不同的问题，将采用模板的方式解决。
xxxxlist需要创建3个类：结点类、迭代器类和链表类。
结点类
成员变量
xxxx就像C语言中链表的创建，C++的链表也需要构建一个类（类似于C的结构体）包含节点中数据信息、下一节点地址和上一节点的地址三部分信息。
结点类成员变量如下：
template<class T>
struct _list_node_
{
T _val; //存储数据
_list_node_<T>* _next;
_list_node_<T>* _prev;
};
成员函数
xxxx分析我们需要写的成员函数：发现只有构造函数需要写，因为在new新的结点时，会自动调用它的构造函数，如果不写就会产生随机值。但是结点不会拷贝构造，不会赋值。并且节点的释放是list控制。所以不需要写拷贝构造、赋值运算法重载和析构函数。
结点类完整代码如下：
解释:由于结点类的成员变量需要被其他类直接访问，所以要将成员变量设置成公有，所以直接用struct（默认内容为公有public）。下面迭代器类同理
迭代器类
xxxx不同于string、vector两种容器，list的迭代器并不是原生的指针，而是封装结点指针成了一个类。
迭代器类代码如下：
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct _list_iterator_ //迭代器就是需要浅拷贝，不需要重新写拷贝构造或者复制
{ //析构函数：迭代器只是存一下指针，指针指向的结点由链表管理，不需要迭代器去释放空间
typedef _list_node_<T> node;
typedef _list_iterator_<T, Ref, Ptr> self;
_list_iterator_(node* pnode = nullptr)
:_pnode(pnode)
{}
Ref operator*() //不加引用就是返回一个临时变量，不可更改具有常属性
{
return _pnode->_val;
}
Ptr operator->()
{
return &_pnode->_val; //it->->_year it->获得T*，T*->获得T类中的内容
}
bool operator==(const self& s) const
{
return _pnode == s._pnode;
}
bool operator!=(const self& s) const
{
return _pnode != s._pnode;
}
self& operator++()
{
_pnode = _pnode->_next;
return *this;
}
self operator++(int) //返回的是临时对象，所以不返回引用
{
self tmp(*this);
_pnode = _pnode->_next;
return tmp;
}
self& operator--()
{
_pnode = _pnode->_prev;
return *this;
}
self operator--(int) //返回的是临时对象，所以不返回引用
{
self tmp(*this);
_pnode = _pnode->_prev;
return tmp;
}
//成员变量
node* _pnode;
};
xxxx问题一：为什么要这样做呢？因为由于list并不是序列型容器，而是一个一个结点通过地址连接起来的。而为了保证所有容器迭代器使用方法的统一性，都要有对迭代器++/–/*等操作。++/–会直接访问上一个结点或者下一个结点的数据；解引用操作则会直接访问当前结点存储的数据。如果我们使用原生指针（结点的指针），则无法达到迭代器所要求的结果。因此，我们需要将结点的指针包装成类，通过运算符重载改变它的行为。达到这样的目的。
xxxx问题二：为什么迭代器类不写拷贝构造、赋值重载和析构函数呢？因为迭代器在拷贝构造和赋值的时候，就是希望做到浅拷贝，就是将值进行拷贝，让他们指向同一块空间，而不是将指向的内容进行深拷贝。因此编译器自动生成的浅拷贝就够了。其次，由于迭代器并没有自己开辟空间，因此无空间的释放，所以不需要析构函数。结点的释放是链表的任务
xxxx问题三:迭代器的模板中，为何需要三个模板参数？三个模板参数分别代表什么意思？。我们都知道，list的迭代器不同于string和vector的原生指针类型的迭代器，他是一个类。对于原生指针来说。被const修饰和不被const修饰的两种指针就是两种类型。因此对于正常的思维来说，迭代器就应该实现成两种类，一个是iterator，一个是const_iterator，两种分开写。因为如果还是想string、vector一样单纯把const和非const两种迭代器看作一种，在list类里typedef成const和非const类型的迭代器。这样就会导致const无效，还是可以更改内容。因为，迭代器仍然是非const，你只是把迭代器的类型名改成了const_iterator，并没有改变迭代器的实质。所以当调用解引用的操作符重载时，还是会返回T&，还是可以更改。所以第一种解决方法就是将iterator和const_iterator两种迭代器类型分成两个类来写，这样const修饰的链表就会去调用const_iterator的类，非const链表就会调用iterator的类。但是这样就会造成大量代码的冗余。
xxxx于是，就出现了利用模板的方法，来区分两种迭代器。
xxxx第一个参数模板class T：代表的是数据的类型。
xxxx第二个参数模板class Ref：代表的是结点中数据的引用。
xxxx第三个参数模板class Ptr：代表的是结点中数据的指针。
具体如下图：
如果还是有不理解可以通过下面成员函数的解析再次加深理解。
成员函数
1、解引用运算符重载
Ref operator*() //不加引用就是返回一个临时变量，不可更改具有常属性
{
return _pnode->_val;
}
xxxx对于string、vector迭代器是原生指针的容器来说。他们的迭代器就是数据的地址，因此解引用可以直接拿到数据。而list并不是，所以需要运算符重载来改变它的行为。可以通过对迭代器解引用直接获取数据。所以return _pnode->val
xxxx同时，对于返回值，我们需要返回的是一个引用，否则，返回的就是一个临时变量，具有常属性，不可改变。并且，如果迭代器是const_iterator所以它的Ref就是const T&就不能对数据进行写，只能读。const类型迭代器返回的是T&，就可读可写了。
2、箭头运算符重载
Ptr operator->()
{
return &_pnode->val;
}
xxxx若迭代器为原生指针，则it->就可以直接获取it的内容，但是list的迭代器不可以，所以就需要运算符重载改变行为。
xxxx值得注意的是
3、迭代器前置++
typedef _list_iterator_<class T, class Ref, class Ptr> self
self& operator++()
{
_pnode = _pnode->_next;
return *this;
}
xxxxself是一个类型，返回的就是迭代器自己。self是typedef出来的。前置–类似就是将_next换成_prev。
4、迭代器后置++
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
_pnode = _pnode->_next;
return tmp;
}
xxxx因为返回的是tmp，是临时变量，所以不能返回引用。因为返回的值是改变之前的值，所以要报错原来的值，返回再将*this改变。后置–类似，就是将_next换成_prev。
5、迭代器的比较
xxxx迭代器的比较比较简单，所以就不细说了。
链表类
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;
list()
{
_head = (node*)malloc(sizeof(node));
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
list(const list<T>& lt)
{
_head = new node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
for (const T& e:lt)
{
push_back(e);
}
}
list<T>& operator=(list<T> lt) //现代写法
{
swap(_head, lt._head);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
iterator begin()
{
return _head->_next;
}
const_iterator begin() const
{
return _head->_next;
}
iterator end()
{
return _head;
}
const_iterator end() const
{
return _head;
}
void push_back(const T& x)
{
node* tail = _head->_prev;
node* newnode = new node(x); //调用node的构造函数
tail->_next = newnode;
newnode->_next = _head;
_head->_prev = newnode;
newnode->_prev = tail;
}
void insert(iterator pos, const T& x)
{
assert(pos._pnode);
node* cur = pos._pnode;
node* prev = cur->_prev;
node* newnode = new node(x);
prev->_next = newnode;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
newnode->_prev = prev;
}
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos._pnode);
assert(pos != end());
node* prev = pos._pnode->_prev;
node* next = pos._pnode->_next;
delete pos._pnode;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
return iterator(next);
}
size_t size()
{
size_t sz = 0;
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it++;
sz++;
}
return sz;
}
bool empty()
{
return begin() == end();
}
private:
node* _head;
};
成员变量
xxxx成员变量就是一个头结点。同时还需要typedef出结点、const_iterator和iterator
成员函数
1、构造函数
list()
{
_head = (node*)malloc(sizeof(node));
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
xxxx注意_head需要使用malloc来开辟空间，因为头结点不需要存储数据，所以不需要初始化。如果用new的话存在一个问题，就是如果出现数据类型T也是list，那么用new开辟头结点空间时，就会自动迪调用构造函数初始化，初始化就要调用构造函数，调用构造函数就要new并且初始化，就会出现一个无限循环。所以就需要malloc来开辟空间。
xxxx对于空链表来说，应该是头结点的next和prev都指向自己。
2、拷贝构造
list(const list<T>& lt)
{
_head = (node*)malloc(sizeof(node));
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
for(const auto& e : lt)
{
push_back(e);
}
}
xxxx可以复用代码，使用push_back。但是push_back之前，必须是规范的空链表，必须初始化。
3、赋值重载
list<T>& operator=(const list<T> lt)
{
swap(_head, lt._head);
return *this;
}
xxxx这是一种现代写法，很简单，先利用拷贝构造，构造出一个完全相同的，这样把*this的_head与拷贝构造出来的_head一换，这样就直接把拷贝构造出来的内容的给了this
4、析构函数
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
xxxx同样的道理，也是复用，先用clear，将链表置空（所有的结点都被释放掉），然后再释放掉头结点。
5、clear
void clear()
{
iterator it = begin();
while(it != end())
{
it = erase(it);
}
}
xxxx挨个释放所有结点就是复用erase，同时，因为释放结点后，就无法找到该结点后的结点，所以it要接受erase的返回值（即：被释放结点后结点的迭代器）
6、begin（）、end（）
iterator begin()
{
return _head->_next;
}
const_iterator begin() const
{
return _head->_next;
}
iterator end()
{
return _head->_prev;
}
const_iterator end() const
{
return _head->_prev;
}
7、insert
void insert(iterator pos, const T&x)
{
assert(pos._pnode);
node* cur = pos._pnode;
node* prev = cur->_prev;
node* newnode = new node(x);
prev->_next = newnode;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
newnode->_prev = prev;
}
xxxxprev、cur、next三个结点的链接关系搞清楚即可，由于是带头双向循环，所以，不需要考虑结点之间连接的顺序，也不需要考虑多种情况。需要考虑的就是pos除是否为空，空的位置不能操作，断言一下。提高安全性。
8、erase
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos._pnode);
assert(pos != end());
node* prev = pos._pnode->_prev;
node* next = pos._pnode->_next;
delete pos._pnode;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
return iterator(next);
}
xxxx删除后，为了防止迭代器失效，所以要把下一位置的的迭代器当做返回值返回。这是STL中容器的普遍做法。
其他小型接口
xxxx其余的接口都比较比较简单，直接看代码就能明白，代码在上面的list类完整版部分。
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xxxx如果读者还有任何疑问，可以评论留言，或者私信我，我们一起探讨，一起进步
以上是关于C++list类模拟实现的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章