C++ stl容器list的底层模拟实现

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目录

前言：

1.创建节点

2.普通迭代器的封装

3.反向迭代器的封装

为什么要对正向迭代器进行封装？

4.const迭代器

5.构造函数

6.拷贝构造

7.赋值重载

8.insert

9.erase

10.析构

11.头插头删，尾插尾删

12.完整代码+简单测试

总结：

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前言：

模拟实现list，本篇的重点就是由于list是一个双向循环链表结构，所以我们对迭代器的实现不能是简单的指针的++，--了，因为我们知道，链表的存储不一定是连续的，所以直接++，--是链接不起来节点的，所以我们要对迭代器也就是对节点的指针进行封装。结尾会附上完整的代码。

1.创建节点

template<class T>struct list_node{list_node<T>* _prev;list_node<T>* _next;T _data;list_node(const T& x= T())//这里不给缺省值可能会因为没有默认构造函数而编不过:_prev(nullptr),_next(nullptr),_data(x){}};

注意给缺省值，这样全缺省就会被当做默认构造了，不会因为没有默认构造而报错。

我们实现的list是带哨兵位的，它同时是迭代器的end（）（因为是双向循环的list）。

2.普通迭代器的封装

template<class T,class Ref,class Ptr>struct _list_iterator{typedef list_node<T> node;typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self;node* _node;//对迭代器也就是节点的指针进行封装，因为list迭代器是不能直接++的_list_iterator(node* n):_node(n){}Ref operator*()//返回的必须是引用，不然改变不了外面的对象的成员,要支持对自己解引用改变值就要用应用{return _node->_data;}Ptr operator->(){return &(_node->_data);//返回地址，再解引用直接访问数据}self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}self operator++(int){self tmp(*this);//默认的拷贝构造可以，因为没有深拷贝_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& s){return _node != s._node;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node;}};

注意list是双向迭代器，可以++，--，不能+，-

这里对迭代器的实现就如我们开始所说的， 迭代器的实现就是使用节点的指针实现的，而我们不能直接对list创建出的节点进行++，--，所以要进行一层封装；然后再对节点指针初始化。

重载解引用时要注意返回的是引用，不然对自己解引用的时候，返回值如果是临时的，是改变不了内部的data的。

对于箭头的解引用，是为了支持这样的场景：

struct AA{int _a1;int _a2;AA(int a1=0,int a2=0):_a1(a1),_a2(a2){}};void test_list2(){list<AA> lt;lt.push_back(AA(1,1));lt.push_back(AA(2, 2));lt.push_back(AA(3, 3));list<AA>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){//cout << (*it)._a1 << " "<<(*it)._a2<<endl;cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;//面对这样的类型，需要重载->,.也可以访问，但是有点别扭++it;}cout << endl;}

迭代器遇到箭头，返回对象的地址也就是节点数据的地址，再解引用找到成员。或者说node中的data就是存放的是对象（也就是用来初始化的数据），然后重载的->拿到对象的地址，再->去访问里面的成员变量_a1。

对于前置后置++与--，前置就返回对象的引用，是传引用返回；后置需要进行拷贝给一个临时的对象，再对调用对象++--，返回的是tmp也就是没有改变的对象，是传值返回。注意区分前置后置，后置要加上参数int。

3.反向迭代器的封装

namespace my_iterator{template<class Iterator,class Ref,class Ptr>struct ReverseIterator{typedef ReverseIterator<Iterator,Ref,Ptr> self;Iterator _cur;ReverseIterator(Iterator it):_cur(it){}Ref operator*(){Iterator tmp = _cur;//因为要--，而解引用是不能改值的，所以用tmp改并返回--tmp;return *tmp;}Ptr operator->(){return &operator*();//&this->operator*()}self operator++(){--_cur;//直接的++--就能直接改了，所以可以直接返回原对象，--(this->_cur)return *this;}self operator--(){++_cur;return *this;}bool operator!=(const self& s){return _cur != s._cur;}};}

第一个模版参数就是任意类型的迭代器区间，因为我们实现反向迭代器需要现有正向迭代器。

一样的不能直接++--，所以进行一层封装，此时_cur就指向传的迭代器的位置。

对解引用的重载一样是要返回引用，不然返回的是一个临时的变量对自己解引用就没用了，也只有返回的是引用才能修改。例如我们要传的是begin（），那反向迭代器就应该从哨兵位开始，所以要先对传过来的迭代器进行--。

箭头就是返回当前位置迭代器的地址，所以是直接复用上面的。

++--与正向的迭代器相反，而_cur的类型就是传过来的迭代器类型，++--会调用传过来迭代器类型的重载。

为什么要用正向迭代器对反向迭代器进行封装？

对于list的正向迭代器，使用节点的指针进行封装，供自己使用，这没问题。

但是用list的节点的指针封装反向迭代器，这样只有list自己能用（而实际库中的反向迭代器可以是用其它容器的正向迭代器初始化的），像vector的迭代器就是原生指针，就不能用了。

如果list反向迭代器是对正向迭代器的封装，这样其它容器的正向迭代器就可以用来初始化list的反向迭代器了。

4.const迭代器

typedef list_node<T> node;public:typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;typedef ReverseIterator<iterator,T&,T*> reverse_iterator;typedef ReverseIterator<iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;const_iterator begin() const//本身const迭代器是让迭代器指向的内容不能修改，但是这样用const修饰迭代器本身也不能修改了{return const_iterator(_head->_next);}const_iterator end() const{return const_iterator(_head);}

 提供const版本，供const修饰的对象调用，防止权限的放大。

那为什么提供完const版本了，const版本已经可以供普通迭代器与const迭代器使用，还单独提出来这个版本？和因为const迭代器还需要迭代器也就是节点指针指向的内容不能修改。例如it是const类型迭代器的对象，*it就可以，++it也可以，但是（*it）++就不可以。

5.构造函数

void empty_Init(){_head = new node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list(){empty_Init();}template<class Iterator>list(Iterator first, Iterator end){empty_Init();//别忘加上哨兵位，没有哨兵位识别不了endwhile (first != end){push_back(*first);first++;//这里的++first会调用重载的，因为传过来的是一个迭代器}}

哨兵位是空的，不放数据，但是哨兵位是正向迭代器的end，要加上。

默认无参构造就只有哨兵位，提供的迭代器的构造也要有哨兵位。

first++不用担心，first是迭代器类型的，所以会调用迭代器的++。 

6.拷贝构造

//传统的拷贝构造//list(const list<T>& lt)//{//empty_Init();//for (auto e : lt)//{//push_back(e);//this->push_back(e)//}//}void swap(list<T>& tmp)//要使用库中的swap，而库中的swap就不带const；况且交换的是头节点，const修饰的就不能修改指向{std::swap(_head, tmp._head);}//现代的拷贝构造list(const list<T>& lt){empty_Init();list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());//为什么还要多一个变量，因为下面swap的参数没有const，而拷贝构造要加constswap(tmp);//this->swap(tmp)}

拷贝构造，直接使用库中的swap，交换头节点也就是哨兵位的指向就行，因为链表后面的关系都通过头节点找到，所以也就相当于都交换了。

注意库中swap的参数：

7.赋值重载

list<T>& operator=(list<T> lt)//参数不能使用引用，使用引用再使用swap交换，原来赋值的值就被改了{swap(lt);return *this;}

一样是使用库中的swap，但是赋值的参数不能是引用，例如L1=L3，用引用再加上使用swap交换头节点的指向，L3就被改了，我们要求的是赋值是不能改变赋过来的对象的，内置类型也是（a=b）。 

8.insert

void insert(iterator pos,const T& x){node* cur = pos._node;node* prev = cur->_prev;node* newnode = new node(x);prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;}

链接节点即可，注意插入的值可能是任意类型，所以要用模版参数并且带上const与引用，防止是内置类型的值是const，传过来权限放大。

插入pos位置，也就是在pos前和pos位置之间插入。 

9.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 pos._node;return iterator(next);}

注意删除完返回删除数据的下一个迭代器位置。

删除就是找前找后，删除节点，链接前后。

_node是new出来的，注意配套使用。

10.析构

void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it= erase(it);//删除后返回的是下一个数据的位置，所以循环就走起来了}}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}

注意迭代器的erase删除后返回的是删除数据的下一个迭代器位置，所以用it接收就不怕迭代器失效了，同时循环也走起来了。 

11.头插头删，尾插尾删

void push_back(const T& x){/*node* tail = _head->_prev;node* newnode = new node(x);tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;_head->_prev = newnode;newnode->_next = _head;*/insert(end(), x);}void push_front(const T& x){insert(begin(),x);}void pop_back(){erase(--end());}void pop_front(){erase(begin());}

直接复用即可。 

12.完整代码+简单测试

封装的反向迭代器： 

#pragma oncenamespace my_iterator{template<class Iterator,class Ref,class Ptr>struct ReverseIterator{typedef ReverseIterator<Iterator,Ref,Ptr> self;Iterator _cur;ReverseIterator(Iterator it):_cur(it){}Ref operator*(){Iterator tmp = _cur;//因为要--，而解引用是不能改值的，所以用tmp改并返回--tmp;return *tmp;}Ptr operator->(){return &operator*();}self operator++(){--_cur;//直接的++--就能直接改了，所以可以直接返回原对象return *this;}self operator--(){++_cur;return *this;}bool operator!=(const self& s){return _cur != s._cur;}};}

#pragma once#include "my_iterator.h"#include <iostream>#include <assert.h>#include <list>using namespace my_iterator;using namespace std;namespace my_list{template<class T>struct list_node{list_node<T>* _prev;list_node<T>* _next;T _data;list_node(const T& x= T())//这里不给缺省值可能会因为没有默认构造函数而编不过:_prev(nullptr),_next(nullptr),_data(x){}};template<class T,class Ref,class Ptr>struct _list_iterator{typedef list_node<T> node;typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self;node* _node;//对迭代器也就是节点的指针进行封装，因为list迭代器是不能直接++的_list_iterator(node* n):_node(n){}Ref operator*()//返回的必须是引用，不然改变不了外面的对象的成员,要支持对自己解引用改变值就要用应用{return _node->_data;}Ptr operator->(){return &(_node->_data);//返回地址，再解引用直接访问数据}self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}self operator++(int){self tmp(*this);//默认的拷贝构造可以，因为没有深拷贝_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& s){return _node != s._node;}bool operator==(const self& s){return _node == s._node;}};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;typedef ReverseIterator<iterator,T&,T*> reverse_iterator;typedef ReverseIterator<iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;void empty_Init(){_head = new node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list(){empty_Init();}template<class Iterator>list(Iterator first, Iterator end){empty_Init();//别忘加上哨兵位，没有哨兵位识别不了endwhile (first != end){push_back(*first);first++;//这里的++first会调用重载的，因为传过来的是一个迭代器}}//传统的拷贝构造//list(const list<T>& lt)//{//empty_Init();//for (auto e : lt)//{//push_back(e);//this->push_back//}//}void swap(list<T>& tmp)//要使用库中的swap，而库中的swap就不带const；况且交换的是头节点，const修饰的就不能修改指向{std::swap(_head, tmp._head);}//现代的拷贝构造list(const list<T>& lt){empty_Init();list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());//为什么还要多一个变量，因为下面swap的参数没有const，而拷贝构造要加constswap(tmp);//this->swap(tmp)}list<T>& operator=(list<T> lt)//参数不能使用引用，使用引用再使用swap交换，原来赋值的值就被改了{swap(lt);return *this;}void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it= erase(it);//删除后返回的是下一个数据的位置，所以循环就走起来了}}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}iterator begin(){return iterator(_head->_next);}iterator end(){return iterator(_head);//哨兵位就是end}const_iterator begin() const//本身const迭代器是让迭代器指向的内容不能修改，但是这样用const修饰迭代器本身也不能修改了{return const_iterator(_head->_next);}const_iterator end() const{return const_iterator(_head);}reverse_iterator rbegin(){return reverse_iterator(end());}reverse_iterator rend(){return reverse_iterator(begin());}void push_back(const T& x){/*node* tail = _head->_prev;node* newnode = new node(x);tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;_head->_prev = newnode;newnode->_next = _head;*/insert(end(), x);}void push_front(const T& x){insert(begin(),x);}void pop_back(){erase(--end());}void pop_front(){erase(begin());}void insert(iterator pos,const T& x){node* cur = pos._node;node* prev = cur->_prev;node* newnode = new node(x);prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;}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 pos._node;return iterator(next);}private:node* _head;};void print_list(const list<int>& lt){list<int>::const_iterator it = lt.begin();//不能直接这样写，传递过来的this指针也是const list<int>*,权限放大了,要提供const版本while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}void test_list1(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);list<int>::iterator it = lt.begin();//=调用默认的拷贝构造，是浅拷贝，但是可以，让it也指向begin的位置while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;print_list(lt);}struct AA{int _a1;int _a2;AA(int a1 = 0, int a2 = 0):_a1(a1), _a2(a2){}};void test_list2(){list<AA> lt;lt.push_back(AA(1, 1));lt.push_back(AA(2, 2));lt.push_back(AA(3, 3));list<AA>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){//cout << (*it)._a1 << " "<<(*it)._a2<<endl;cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;//面对这样的类型，需要重载->,.也可以访问，但是有点别扭++it;}cout << endl;}void test_list3(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);auto pos = lt.begin();++pos;lt.insert(pos, 20);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.push_back(100);lt.push_front(1000);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.pop_back();lt.pop_front();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;}void test_list4(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.clear();for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(40);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;}void test_list5(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;list<int> lt2(lt);for (auto e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;list<int> lt3;lt3.push_back(10);lt3.push_back(20);lt3.push_back(30);for (auto e : lt3){cout << e << " ";}cout << endl;lt2 = lt3;for (auto e : lt2){cout << e << " ";}cout << endl;}void test_list6(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);list<int>::iterator it = lt.begin();//=调用默认的拷贝构造，是浅拷贝，但是可以，让it也指向begin的位置while (it != lt.end()){(*it) *= 2;cout << *it << " ";++it;}cout << endl;list<int>::reverse_iterator rit = lt.rbegin();while (rit != lt.rend()){cout << *rit << " ";++rit;}cout << endl;/*for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;print_list(lt);*/}}

总结：

重点在迭代器与反向迭代器的的封装，其它的内容与其它的容器大致相同。

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