1、基本框架
list 由三个类构建而成:
节点类:每个节点必须的三部分(指向前一个节点的指针、指向后一个节点的指针、当前节点存储的数据)
迭代器类:此时的迭代器为双向迭代器，比较特殊，需要对其进行封装，如 it++并非使迭代器单纯向后移动，而是让其指向下一个节点
链表类:实现链表各项功能的类，为主要部分
1.1、节点类
节点类在设计时，需要确定三个成员和构造函数，用来生成类
//节点类
template<class T>
struct __list_node
{__list_node(const T& data = T()):_prev(nullptr),_next(nullptr),_data(data){}__list_node<T>* _prev; //指向前一个节点__list_node<T>* _next; //指向后一个节点T _data; //存储相应数据
};
注意: 节点的创建与销毁，不在节点类中进行，因此不需要写析构函数
1.2、迭代器类
迭代器类中的成员为节点类指针，指向单个节点，同样的，选代器类也需要提供构造函数
//迭代器类
template<class T>
struct __list_iterator
{typedef __list_node<T>* link_type; //对节点类的指针，进行重命名__list_iterator(link_type node):_node(node){}link_type _node;
};
注意: 迭代器只是一个辅助工具，指向的是节点，同样不需要提供析构函数，析构相关事宜交给链表类处理就好
1.3链表类
链表类中也只用有一个成员变量:哨兵位节点(头节点)
//list本类
template<class T>
class list
{typedef __list_node<T> node; //节点typedef T value_type; //模板参数值typedef T& refence; //引用typedef const T& const_refence; //const 引用private:node* _head; //哨兵位节点（头节点）
};
2、默认成员函数
默认成员函数中包含了默认构造、带参构造、拷贝构造、赋值重载和析构函数
析构函数只负责释放链表中的节点，而其他默认成员函数负责 构造/构建出其他对象
因为有很多构造函数中都需要对创建出头节点，所以此时 需要先构建出一个空初始化函数empty init()，这个函数只能在类中使用
因此设为 private
private://初始化出头节点void empty_init(){_head = new node;_head->_prev = _head->_tail = _head;}
其他构造函数在构造对象前，可以先调用此函数
比如默认构造函数， 构成出一个空对象
//默认构造函数
list() { empty_init(); }
对于带参构造函数，在构造对象前，仍需要调用 empty_init()构建头节点
参数:
size_t n 对象中包含 n 个数据
const reference val 数据值
为了避免与后续的迭代器区间构造起冲突，这里需要再额外提供一个 int版本
//带参构造函数(value_type)，此处的value_type指的就是就是模版参数T
list(value_type n, const_refence val = value_type())
{empty_init();while (n--) push_back(val);
}
//为了避免与迭代器区间构造函数冲突，提供额外版本(int)
list(int n, const_refence val = value_type())
{empty_init();while (n--) push_back(val);
}
在实际创建 list 对象时，多使用迭代器区间进行构造，因为是创建新对象，所以可以直接调用尾插进行创建
//迭代器区间构造
template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{empty_init();while (first != last) push_back(*first++);
}
关于拷贝构造和赋值重载，可以使用现代写法
//交换
void swap(list<T>& tmp)
{std::swap(_head, tmp._head);
}
//拷贝构造---现代写法
list(const list<T>& x)
{empty_init();list<T> tmp(x.begin(), x.end());swap(tmp);
}
//赋值重载---现代写法
list<T>& operator=(list<T> tmp)
{swap(tmp);return *this;
}
注意:
以上几种构造函数都是在创建新对象，因此在构建前，需要先调用 empty_init()初始化出头节点
为了避免 list(int，int)匹配上迭代器区间构造，可以再额外提供一个int版的带参构造函数。
拷贝构造的参数必须使用引用，否则会造成无穷递归问题
至于析构函数的实现就很简单了，直接使用函数 clear()释放节点，最后再释放头节点即可
//析构函数
~list()
{clear(); //后续会对这个函数的实现进行讲解delete _head;_head = nullptr;
}
3、迭代器设计
3.1、多参数模板
list 的模拟实现精华在于迭代器类的设计，而迭代器类中的精华在于多参数模板，这种传多模板参数的方法，巧妙的解决了正常对象与const 对象的冗余设计问题
选代器分为 iterator 和 const iterator，不同的对象调用不同的迭代器类型，假设不使用多参数模板，就需要实现两份相差不大的迭代器类(完全没有必要)
T:节点中值的普通类型
Ref :节点中值的引用类型(可为const）
Ptr:节点中值的指针类型(可为const）
//迭代器类
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{typedef __list_node<T>* link_type;typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;__list_iterator(link_type node):_node(node){}link_type _node;
};//=====迭代器设计=====（list 类中）
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator; //声明两种不同的迭代器
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
他是一个要单独存在的类
注意: 节点类及迭代器类都是使用 struct 定义的，目的是为了开放其中的成员
list 类中的迭代器相关函数也有两种:
普通版本与 const 版本
规定:
begin()为 list 的头节点的下一个节点
end()是 list 的头节点
返回类型都为迭代器对象，因此可以使用匿名对象进行构造
//=====迭代器设计=====
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); }
迭代器分类:
单向迭代器:支持++或--其中一种移动方式
双向迭代器:支持++及--两种移动方式
随机迭代器:不仅支持 ++ 和 -，还支持迭代器 +n、-n
只有随机选代器才能使用 std::sort 进行快速排序
3.2双向迭代器
对于双向链表，我们要实现双向迭代器
self& operator++(); //前置++self& operator--(); //前置--self operator++(int); //后置++self operator--(int); //后置--
list 中的双向迭代器在进行移动时也比较特殊，不像之前的 string 和 vector 是连续空间(移动直接调用内置 ++/--)
list 为非连续空间，迭代器在移动时为前后节点间的移动，使用内置 ++/-- 会引发严重的迭代器越界问题
因此才需要将迭代器单独封装为一个类，实现我们想要的效果
实现代码：
self& operator++()
{_node = _node->_next;return *this;
}self& operator--()
{_node = _node->_prev;return *this;
}self operator++(int)
{self tmp(_node);//++_node; //谨防错误写法//_node = _node->_next; //正确写法1++(*this); //正确写法2return tmp;
}self operator--(int)
{self tmp(_node);//--_node; //谨防错误写法//_node = _node->_prev; //正确写法1--(*this); //正确写法2return tmp;
}
注意：
//以下是后置++的错误写法
self operator++(int)
{self tmp(_node);++_node; //错误写法return tmp;
}
node 是一个节点指针，非迭代器对象，++ node 不是在调用 operator++()，而是在调用内置的前置 ++(节点指针没有像迭代器一样进行重载)，直接++就指向了非法空间
解决方案:
1.手动实现节点的移动:
node = node-> next
2.调用迭代器类的前置 ++:
++(*this)
3.3指向结构体成员功能
Ptr operator->(){return &_node->_val;}运用场景：
当 list 中的对象为自定义类型时，，想直接通过 it->访问其中的成员
struct A
{A(int a = int(), double b = double(), char c = char()):_a(a),_b(b),_c(c){}int _a;double _b;char _c;
};void TestList()
{list<A> lt;lt.push_back(A(1, 2.2, 'A'));auto it = lt.begin();cout << (*it)._a << endl; //不使用 operator->() 比较别扭cout << it->->_b << endl; //这种写法是真实调用情况cout << it->_c << endl; //编译器直接优化为 it->
}
3.4迭代器总代码
//迭代器类
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{typedef __list_node<T>* link_type;typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;__list_iterator(link_type node):_node(node){}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &(operator*());}self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}self operator++(int){self tmp(_node);//++_node; //谨防错误写法//_node = _node->_next; //正确写法1++(*this); //正确写法2return tmp;}self operator--(int){self tmp(_node);//--_node; //谨防错误写法//_node = _node->_prev; //正确写法1--(*this); //正确写法2return tmp;}bool operator==(const self& tar){return tar._node == _node;}bool operator!=(const self& tar){return tar._node != _node;}link_type _node;
};
4.容量
list 中的容量访问有:判空和大小
实现判空:判断当前的 begin()与 end()是否相同
统计大小:利用迭代器将整个 list 遍历一遍，计数统计即可
//=====容量相关=====
bool empty() const { return begin() == end(); }
size_t size() const
{int cnt = 0;auto it = begin(); //使用 auto 自动推导迭代器类型while (it != end())++it, ++cnt;return cnt;
}
5、数据访问
STL 库中给 list 提供了两种数据访问方式:访问首个数据和访问最后一个数据
//=====数据访问=====
refence front() { return *begin(); }
const_refence front() const { return *begin(); }refence back() { return *(--end()); }
const_refence back() const { return *(--end()); }
6、数据修改相关
只需要找到对应节点的位置，插入/删除本质上就是在进行前后节点的链接关系修改
6.1、头尾插删
头尾插删是在对 begin()和 --end()所指向的节点进行操作，尾部插入/头部删除，逻辑一致，尾部删除/头部删除 逻辑一致学会其中一个就够用了
尾部插入步骤:
根据传入的数值，构建出新尾节点 new_back
找到原链表中的尾节点 old_back
在 old back、new back、 head 间建立链接关系即可
头部插入逻辑与尾部插入基本一致，不过找的是 old_front 头节点
//尾插
void push_back(const_refence val)
{node* new_back = new node(val);node* old_back = _head->_prev;old_back->_next = new_back; //原尾节点的 _next 指向新尾节点new_back->_prev = old_back; //新尾节点的 _prev 指向原尾节点new_back->_next = _head; //新尾节点的 _next 指向头节点_head->_prev = new_back; //头节点的 _prev 指向新尾节点
}
尾部删除步骤：
断言当前 list 不为空，如果为空，就报错
选择原来的尾节点 old_back-> head-> prev
确定新的尾节点 new back->old back->prev
在 new_back 与 head 之间建立链接关系
最后在释放原来的尾节点 old back
头删时，逻辑基本一致，不过选择的是old_front与 new_front
//尾删
void pop_back()
{assert(!empty());node* old_back = _head->_prev; //选择原尾节点node* new_back = old_back->_prev; //确定新尾节点new_back->_next = _head; //新尾节点的 _next 指向头节点_head->_prev = new_back; //头节点的 _prev 指向新尾节点delete old_back;
}
6.2、任意位置插删
任意位置插入就是在插入操作的基础上添加了迭代器pos进行定位
在 pos位置前插入
根据传入值，创建出新节点 new_node
确定当前 pos 位置的节点 pos_cur
确定当前 pos 位置的上一个节点 pos_prev
在 pos_prev、new_node、pos_cur 间建立链接关系
最后返回当前插入新节点的位置
//任意位置插入
iterator insert(iterator pos, const_refence val)
{node* new_node = new node(val); //创建新节点node* pos_cur = pos._node; //当前 pos 位置的节点node* pos_prev = pos_cur->_prev; //pos 的前一个节点pos_prev->_next = new_node; new_node->_prev = pos_prev;new_node->_next = pos_cur;pos_cur->_prev = new_node;return iterator(new_node); //最后返回的是一个迭代器对象
}
任意位置删除逻辑与 尾删/头删 基本一致
首先断言 list 是否为空
分别确定当前节点 pos_cur，上一个节点 pos_prev，
下一个节点 pos_next
在上下节点 pos_prev 和 pos_next 间建立链接关系
删除当前节点 pos_cur
返回己删除节点下一个节点，即pos_next
//任意位置删除
iterator erase(iterator pos)
{assert(!empty());node* pos_cur = pos._node;node* pos_prev = pos_cur->_prev;node* pos_next = pos_cur->_next;pos_prev->_next = pos_next;pos_next->_prev = pos_prev;delete pos_cur;return iterator(pos_next);
}
list 的插入操作没有迭代器失效问题，删除操作也仅仅是影响被删除节点的迭代器，返回值是为了更好的进行操作
注意:
之前提到的 尾部插入/删除、头部插入/删除 可以复用任意位置插入/删除
//尾插
void push_back(const_refence val)
{insert(end(), val);
}//尾删
void pop_back()
{erase(--end());
}//头插
void push_front(const_refence val)
{insert(begin(), val);
}//头删
void pop_front()
{erase(begin());
}