c++STL-list的模拟实现

list源码剖析

建议先看c++STL-list的使用和迭代器-CSDN博客。

STL中某版本的list的结点原型：

template <class T>
struct __list_node{typedef void* void_pointer;void_pointer next;voie_pointer prev;T data;
}

void 后期还需要强转。

定义结点用struct，可以换成class，但要另一个类将这个类封装成友元，因为class默认私有。

__list_node：__表示内部的实现，算是项目上的约定。

之后list类的成员：

template <class T, class Alloc = alloc>
class list {
protected:typedef void* void_pointer;//结点类型typedef __list_node<T> list_node;//空间配置器typedef simple_alloc<list_node, Alloc> list_node_allocator;
public://类型typedef T value_type;//类型指针typedef value_type* pointer;typedef const value_type* const_pointer;//类型引用typedef value_type& reference;typedef const value_type& const_reference;typedef list_node* link_type;//结点数和引用数typedef size_t size_type;typedef ptrdiff_t difference_type;//迭代器typedef __list_iterator<T, T&, T*>             iterator;typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//...
protected:link_type node;
}

看代码（容器）先看构造函数，初始化决定初始结构是什么样的。

template<class T>
class list {list() { empty_initialize(); }//空结点初始化//证明链表在生成时会先//生成哨兵卫结点void empty_initialize() {node = get_node();node->next = node;node->prev = node;}link_type get_node() { return list_node_allocator::allocate(); }link_type create_node(const T& x) {link_type p = get_node();__STL_TRY{//调用定位newconstruct(&p->data, x);}__STL_UNWIND(put_node(p));return p;}void put_node(link_type p) { list_node_allocator::deallocate(p); }iterator begin() { return (link_type)((*node).next); }iterator end() { return node; }
};

allocate是空间配置器，也就是说get_node是获取一个新的结点。

list的迭代器功能比string和vector复杂，因此库里的list将迭代器封装成了一个类，通过模板参数的不同来区分不同类型的迭代器。

//Ref,即reference，引用
//Ptr,即pointer，指针
//表示引用类型和指针类型也作为模板参数的一部分
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator {typedef __list_iterator<T, T&, T*>             iterator;typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr>           self;typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;typedef T value_type;typedef Ptr pointer;typedef Ref reference;typedef __list_node<T>* link_type;typedef size_t size_type;typedef ptrdiff_t difference_type;link_type node;__list_iterator(link_type x) : node(x) {}__list_iterator() {}__list_iterator(const iterator& x) : node(x.node) {}bool operator==(const self& x) const { return node == x.node; }bool operator!=(const self& x) const { return node != x.node; }reference operator*() const { return (*node).data; }#ifndef __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATORpointer operator->() const { return &(operator*()); }
#endif /* __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR */self& operator++() {node = (link_type)((*node).next);return *this;}self operator++(int) {self tmp = *this;++* this;return tmp;}self& operator--() {node = (link_type)((*node).prev);return *this;}self operator--(int) {self tmp = *this;--* this;return tmp;}
};

end()是尾结点的迭代器，begin()是end()->next。

list模拟实现

list的本质是封装加运算符重载。

因此list由三部分组成：

1. 结点类__list_node。
2. 迭代器类__list_iterator。
3. 链表本体list。

__list_node，考虑到库中的结点给的前驱和后缀都是void*，正式使用时还要强制转换，于是这里尝试做改进：

template<class T>
struct __list_node {//指针域typedef __list_node* pointer;pointer next;pointer view;//数据域T data;
};

为了能做到迭代器重载const修饰和非const修饰的迭代器，参考库中的__list_iterator，需要设计成三个模板参数的类模板，自己改进了看起来比较冗余的部分：

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator {typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;typedef __list_node<T>* link_node;link_node node;
};

最后是list本体：

class list {
public:typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;typedef __list_node<T> Node;//...
private:Node* node;
};

list构造函数

构造函数选择这几个常用的实现：

list ();list (size_t n, const T& val = T());template <class InputIterator>list (InputIterator first, InputIterator last);list (const list& x);

默认构造函数用于生成哨兵卫结点。

要使用list (InputIterator first, InputIterator last);，则需要再加上一个
list (int n, const T& val = T());，防止整型被识别成迭代器。

拷贝构造函数

同样可以创造新的头结点，并遍历链表（范围for）进行尾插。

赋值重载

• 清理链表，保留头结点，之后遍历形参的链表即可。
• 同样可以交换哨兵卫结点。

迭代器 iterator

迭代器用3个模板参数的模板类封装。

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator {typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;typedef __list_node<T>* link_node;link_node node;
};

迭代器需要支持的操作：

1. 构造能指向指定结点的构造函数。
2. 拷贝构造函数。
3. 解引用操作*，返回迭代器指向的结点的数据域。要求数据域能读、能写。
4. 解引用操作->，返回迭代器指向的结点的数据域，当数据域也是自定义类型时，返回指针。
5. ==，用于判断两个迭代器指向的结点是否相等。
6. !=，用于判断两个迭代器指向的结点是否不等。
7. ++，当前迭代器指向后继结点。
8. --，当前迭代器指向前驱结点。
9. begin()，返回哨兵卫结点的后一个结点。
10. end()，返回哨兵卫结点。

访问结点数size和判空

返回除哨兵卫结点外的结点数_size。

判断_size是否为0，或哨兵卫的两个指针是否都指向自己。

尾插 push_back

void push_back(const T& val);

在end()前插入结点即可。可以另外实现，也可以复用insert。

头插 push_front

void push_front(const T& val);

在begin()前插入结点即可。可以另外实现，也可以复用insert。

尾删pop_back

删除--end()结点即可。

头删pop_front

删除begin()结点即可。

插入 insert

iterator insert(iterator pos, const T& val);

在迭代器pos前插入以val为数据的新结点。

这样在end()前插入结点相当于是尾插，在begin()前插入结点相当于是头插。

链表的迭代器不受扩容的影响，不会出现迭代器失效的问题，给不给返回值都可以。这里选择给。

删除 erase

iterator erase(iterator pos);

删除pos迭代器指向的结点。

删除后pos迭代器必定失效，因此需要返回下一个结点的迭代器。

清空clear和析构函数

void clear();

删除除哨兵卫结点外的所有结点。

析构函数在clear的基础上，进一步清理哨兵卫结点。

访问结点

用一个队首front和队尾back访问头、尾结点即可。

需要注意end()在这里设定为哨兵卫结点，一般情况下不可访问。

参考程序

某.h文件：

#pragma once
#include<cassert>namespace mystd {template<class Type>void swap(Type& a, Type& b) {Type tmp = a;a = b;b = tmp;}template<class T>struct __list_node {//指针域typedef __list_node* pointer;pointer next;pointer view;//数据域T data;__list_node(const T& x = T()):data(x), next(nullptr), view(nullptr) {}};//三个模板参数分别为：存储的数据类型//存储的数据的引用、存储的数据空间的地址类型template<class T, class Ref, class Ptr>struct __list_iterator {typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;typedef __list_node<T>* link_node;link_node node;__list_iterator<T, Ref, Ptr>(link_node x = nullptr):node(x) {}__list_iterator<T, Ref, Ptr>(const self& x): node(x.node) {}Ref operator*() {return node->data;}//为了支持T为自定义类型的情况//返回迭代器指向的结点的数据域的地址Ptr operator->() {return &node->data;}bool operator==(const self& x) const{return node == x.node;}bool operator!=(const self& x) const {return node != x.node;}self& operator++() {node = node->next;return *this;}self& operator--() {node = node->view;return *this;}self operator++(int) {self tmp(*this);node = node->next;return tmp;}self operator--(int) {self tmp(*this);node = node->view;return tmp;}};template<class T>class list {public:typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;typedef __list_node<T> Node;//默认构造函数list<T>() {node = get_node();node->next = node->view = node;_size = 0;}//构造函数list<T>(int n, const T& val = T()) {node = get_node();node->next = node->view = node;size_t tmp = n;for (size_t i = 0; i < tmp; i++)push_back(val);}list<T>(size_t n, const T& val = T()) {node = get_node();node->next = node->view = node;size_t tmp = n;for (size_t i = 0; i < tmp; i++)push_back(val);}template<class Inputiterator>list<T>(Inputiterator first, Inputiterator second) {node = get_node();node->next = node->view = node;while (first != second) {push_back(*first);first++;}}//拷贝构造函数list<T>(const list<T>& obj) {node = get_node();node->next = node->view = node;for (const auto& x : obj)this->push_back(x);}//赋值重载list<T>& operator=(list<T>obj) {mystd::swap(this->node, obj.node);mystd::swap(this->_size, obj._size);return *this;}//析构函数~list() {clear();delete node;}//迭代器iterator begin() {return iterator(node->next);}iterator end() {return iterator(node);}const_iterator begin() const {return const_iterator(node->next);}const_iterator end() const {return const_iterator(node);}//结点数size_t size()const {return _size;}//判断是否为空bool empty()const {return this->node->next == this->node&& this->node->view == this->node;}//头插void push_front(const T& val) {insert(begin(), val);}//尾插void push_back(const T& val) {insert(end(), val);}//尾删void pop_back() {erase(--end());}//头删void pop_front() {erase(begin());}//插入iterator insert(iterator pos, const T& val) {Node* cur = pos.node->view;Node* newnode = get_node(val);newnode->next = cur->next;newnode->view = cur;cur->next = newnode;newnode->next->view = newnode;++_size;return iterator(newnode);}//删除iterator erase(iterator pos) {assert(pos != end());Node* del = pos.node, * cur = pos.node->next;del->view->next = del->next;del->next->view = del->view;delete del;--_size;return iterator(cur);}//清空void clear() {auto it = begin();while (it != end()) {it = erase(it);}}//访问T& front() {return node->next->data;}T& back() {return node->view->data;}private:Node* get_node(const T& x = T()) {Node* tmp = new Node(x);tmp->next = tmp->view = nullptr;//这里建议赋值tmpreturn tmp;}template<class Type>friend void mystd::swap(Type&, Type&);Node* node;//哨兵卫size_t _size;//结点数};
}