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C++修炼：list模拟实现

news 来源：原创 2025/6/15 22:57:32

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1、list的底层结构

2、list容器的构造

3、迭代器类的完善

4、list类的完善

4.1、迭代器操作

4.2、insert

4.3、erase

4.4、其他复用接口

4.5、初始化列表和拷贝构造

4.6、赋值运算符重载

4.7、析构函数

5、补充

1、list的底层结构

list底层是双向带头循环链表，这意味着我们可以高效的在list中插入，删除节点。但是不支持随机访问。如果我们想要获取特定位置的元素需要遍历链表。

2、list容器的构造

list的模拟实现我们需要三个类，第一个类是节点，我们先把节点类写出来：

namespace danfan
{template<class T>struct list_node{list_node* _next;list_node* _prev;T _data;//构造函数list_node(const T& val = T()):_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(val){}};
}

其中next指向后一个节点的地址，prev指向前一个节点的地址，data是这个节点存放的数据：

我们再大致写一下迭代器类：

template<class T,class ref,class ptr>
struct list_iterator
{typedef list_iterator<T,ref,ptr> iterator;typedef list_node<T> Node;Node* _node;//迭代器指向的节点的地址list_iterator(Node* node):_node(node){}
};

我们这里其实需要三个模板变量，至于为什么需要三个我后面会说。

我们发现其实迭代器类和节点类都是用struct封装的，原因就在于我们实际在访问的时候不回去访问这个底层的节点，那就没必要把他设置成私有变量，那就用不到struct，用class就足够了。

接着我们再来写一下list类：

template<class T>
class list
{typedef list_node<T> Node;typedef list_iterator<T,T&,T*> iterator;typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;void empty_list(const T& val=T())
{_head = new Node;//别忘了开空间_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_head->_data = val;//默认为0_size = 0;
}list(){empty_list();}
private:Node* _head;size_t _size;
};

_size的用途就是可以返回链表的大小。

3、迭代器类的完善

我们回过头来完善一下迭代器类

	template<class T,class ref,class ptr>struct list_iterator{typedef list_iterator<T,ref,ptr> iterator;typedef list_node<T> Node;Node* _node;//迭代器指向的节点的地址list_iterator(Node* node):_node(node){}iterator operator++(){_node = _node->_next;return _node;}iterator operator++(int){iterator tmp(this->_node);_node = _node->_next;return tmp;}iterator operator--(){_node = _node->_prev;return _node;}iterator operator--(int){iterator tmp(this->_node);_node = _node->_prev;return tmp;}ref operator*(){return _node->_data;}ptr operator->(){return &_node->_data;}bool operator!=(const iterator& s) const{return _node != s._node;}bool operator==(const iterator& s) const{return _node == s._node;}};

我们需要把对于迭代器的操作，主要是加减，等于，不等于，解引用，->写出来。我们注意到我们的比较操作符没有大于和小于，因为我们在一开始就说过了，list的迭代器在内存上没有地址的大小关系，所以说不能用大于和小于号来比较。另外迭代器加减，不等于，解引用这三个是必须提供的，只有这三个提供了才能使用范围for。

另外写注释的是我们的->运算符重载，这个运算符重载其实是在特定场景使用的。他主要是在list存储自定义类的时候使用。比如我们可以这样访问：

struct A
{int _a;int _b;A(int a, int b):_a(a),_b(b){}
};
list<A> li;
auto it = li.begin();
cout << it->_a << endl;

假设我们的begin()接口已经实现完了，那么我们就可以通过->符号访问元素。这里按道理来说应该是->->两个符号才能访问-a，但是由于可读性的问题，省略了一个->符号，所以只剩下一个 -> 也可以正常访问。这个地方属于是特殊处理。

因为咱们的迭代器有const和非const两个版本，所以我们直接在模板迭代器类传入三个模板参数，其中第二个参数和第三个参数是T&,T*或const T&,const T*。这样我们在list类中可以根据我们typedef的迭代器类型来让编译器自己决定返回迭代器的类型。

4、list类的完善

4.1、迭代器操作

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

4.2、insert

我们先实现insert因为后面的push_back可以复用insert，之后有很多接口又复用的push_back。list的insert实际上是在提供的迭代器位置之前插入元素。

push_back我就一起在这里实现了。

void insert(iterator pos,const T& val)
{Node* cur= pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* newnode = new Node(val);newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;++_size;//别忘了
}
void push_back(const T& x)
{insert(end(), x);
}

4.3、erase

iterator erase(iterator pos)
{assert(pos != end());//pos不能是最后一个元素Node* cur = pos._node;Node* next = cur->_next;Node* prev = cur->_prev;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;--_size;return next;
}

注意点很多我们从上往下说：

首先我们一定得断言一下，但需要注意断言不能写成pos<end()，因为咱们在list里面的迭代器根本不支持大于小于比较。

其次，不要忘记delete,不然会内存泄漏。

第三点，我们一定得返回迭代器，因为删除之后会有迭代器失效的问题，原来的那个迭代器位置的节点我们已经删除了。我们返回next会调用赋值拷贝一个迭代器。这个赋值拷贝是必须存在的，因为如果穿引用返回的话我们的next出函数时候生命周期就结束了。

4.4、其他复用接口

void push_front(const T& x)
{insert(begin(), x);
}
void pop_back()
{erase(--end());
}
void pop_front()
{erase(begin());
}
size_t size()
{return _size;
}

4.5、初始化列表和拷贝构造

实际上我们应该先实现拷贝构造才能进行以上我们实现的这些接口。

list(list<T>& li)
{empty_list();for (auto& e : li){push_back(e);}
}
list(std::initializer_list<T> il)
{empty_list();for (auto& e : il){push_back(e);}
}

4.6、赋值运算符重载

这里还是采用复用swap的写法。

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

4.7、析构函数

void clear()
{iterator it1 = begin();for (it1 != end()){it1=erase(it1);//防止迭代器失效}
}
~list()
{clear();delete _head;_head = nullptr;_size = 0;
}

5、补充

我们实际上只实现了几个常用的接口，那些不常用的我们并没有实现。

我们现在补充一下关于迭代器的知识点：

迭代器分为以上几种，我们在调用各种接口的时候实际上是按照要求传入迭代器的。

随机访问迭代器支持读取，写入，递增递减，随机访问，多次遍历。比如我们vector的迭代器就是随机访问迭代器。

双向迭代器不支持随机访问，我们不能直接跳转到指定位置，只能通过遍历找到指定位置。list迭代器就是双向迭代器。

前向迭代器在和双向迭代器相比又不支持递减操作。单链表，还有之后的哈希表就是前向迭代器。

剩下的两个迭代器就是只读和只写迭代器。

这五个迭代器都具有父子集关系，如果一个接口要求传入前向迭代器，那么传入他的父集双向迭代器和随机访问迭代器也可以。但是反过来如果一个接口要求传入随机访问迭代器，就只能传入随机访问迭代器，传入他的子集（也就是剩下那四个迭代器）是不行的。（比如sort）。

如果要求传入只读和只写就是传剩下三个迭代器都可以。只读和只写迭代器没有具体的例子。

好了，今天的内容就分享到这，我们下期再见！

1、list的底层结构

2、list容器的构造

3、迭代器类的完善

4、list类的完善

4.1、迭代器操作

4.2、insert

4.3、erase

4.4、其他复用接口

4.5、初始化列表和拷贝构造

4.6、赋值运算符重载

4.7、析构函数

5、补充

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