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本文将通过模拟实现List，从多个角度深入剖析其底层机制，详细讲解其内部实现原理和实际应用场景，帮助读者全面理解和掌握List的工作方式。
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前文:List介绍一、搭建创建List武器库1.1 创建节点ListNode1.2 迭代器ListIterator 1.2.1 自定义类型迭代器1.2.2 交换语句1.2.3 迭代器运算符重载1.2.3.1 前置++与后置++1.2.3.2 前置--与后缀--1.2.3.4 *运算符重载1.2.3.5 ==与!=运算符重载 二、正式模拟实现List2.1 武器库使用2.2 获得List开头和结尾迭代器2.3 关于迭代器失效2.4 insert2.5 erase 2.6 复用insert与erase完成插入与删除2.7 operator->重载2.8 const_Iterator迭代器2.8.1 实现const_Iterator迭代器2.8.2 模板整合类型问题 2.9 打印链表元素 三、常规接口实现3.1 构造函数3.2 拷贝构造3.3 operator= 赋值运算符3.4 clear 清除3.5 ~list 析构函数3.6 size 查看当前链表元素个数3.7 empty 判空 List.h
前文:List介绍
list文档介绍
list是可以在常数范围内在任意位置插入和删除的序列式容器，并且该容器可以前后双向迭代list的底层是双向链表结构，双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中，在节点中通过指针指向其前面一个元素和后一个元素list与forward_list非常相似:最主要的不同在于forward_list是单链表，只能朝前迭代，已让其更简单高效与其他的序列式容器相比，list通常在任意位置进行插入，移除元素的执行效率更好与其他序列式容器相比，list和forward_list最大的缺陷式不支持任意位置的随机访问。
在模拟实现list过程中，为了避免跟库中list发生冲突，需要创建个命名空间，在命名空间中实现list。
namespace ls{class list{};}list的底层是双向链表结构，而链表是通过每个独立的节点利用指针连接在一起的数据结构。节点是组成链表基本单位。模拟实现带头双向循环链表，为了适应不同的数据类型，选择采用类模板。
一、搭建创建List武器库
1.1 创建节点ListNode
template<class T> struct ListNode { ListNode<T>* _next; ListNode<T>* _prev; T _data; //创建节点，是传数据创建的 ListNode(const T& x = T()) :_next(nullptr) ,_prev(nullptr) ,_data(x) {} };具体说明：为了适应不同类型的节点，将创建节点设计成类模板。访问限定符一般选用struct，由于默认访问权限是公开的，节点里面数据都是可以使用。当然使用class也是可以的，只需要将访问限定符设置为public。
节点对象实例化一般是传个数值，但是为了考虑类型和是否传参，可以设置一个全缺省构造函数
1.2 迭代器ListIterator
链表通过每个节点连接在一起，但这不能保证节点间地址是连续的。对此虽然原生指针是天然的迭代器，但是建立在物理空间连续的情况下
1.2.1 自定义类型迭代器
list<T> ::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){ *it += 10; cout << *it; it++;}由于链表节点间物理空间不连续，使用原生指针作为迭代器不能满足++或–操作。节点间又是通过指针连接在一起的，那么可以将指针封装到类中，通过运算符重载重新定义运算符的行为，达成我们的需求。不采用内置类型迭代器，选择自定义类型迭代器，其中自定义类型迭代器内部是通过指针实现的。
template<class T> struct ListIterator { typedef ListNode<T> Node; typedef ListIterator<T> Self; Node* _node; ListIterator(Node* node) :_node(node) {} }注意事项:
将通过ListIterator类模板模拟实现迭代器，通过采用struct公开迭代器里面的数据 ListIterator(Node* node)，这里迭代器的实现还是依赖指针，只是通过类封装改变运算符的行为，参数部分是传递指针类型（关键）其中迭代器是作为指向作用，申请资源不属于迭代器，而属于链表，不需要考虑析构的问题，迭代器就是玩数据数据公开意味着，内部数据可以被任意修改。没人会去跳过封装，使用内部的数据，没有意义。不同编译器中底层实现是不一样的(实现逻辑、名称)，这本身就是一种隐式设置为私有的作用 1.2.2 交换语句
void swap(list<T>& it){ std::swap(_head, it._head); std::swap(_size, it._size);}1.2.3 迭代器运算符重载
1.2.3.1 前置++与后置++
//前缀++Self& operator++(){ _node = _node->_next; return *this;}//后缀++Self operator++(int){ //构造一个tmp临时变量 Self tmp(*this); _node = _node->_next; return tmp;}1.2.3.2 前置–与后缀–
Self& operator--(){ _node = _node->_prev; return *this;}//后缀--Self operator--(int){ //构造一个tmp临时变量 Self tmp(*this); _node = _node->_prev; return tmp;}具体说明:有拷贝构造就需要考虑深浅拷贝的问题。这里需要使用到浅拷贝，指向同一块空间，并且不需要考虑重复析构的问题，也说明了浅拷贝并都是坏处。临时对象tmp同指向一块空间，调用完临时对象被销毁，指向空间资源保留。这也导致了返回类型是指针还是引用。
1.2.3.4 *运算符重载
T& operator* (){ return _node->_data;}1.2.3.5 ==与!=运算符重载
//通过指针指向的节点去判断是否相等bool operator==(const Self& it){ return _node == it._node;}bool operator!=(const Self& it){ return _node != it._node;}具体说明：
关于形参部分使用const修饰，其一为了提醒对象顺序问题，其二在while(it != lt.end())中lt.end()调用返回临时对象具有常性，在参数部分进行接收将权限降低。迭代器间的比较并不是比较指向数据，而是比较迭代器指向的位置 二、正式模拟实现List
2.1 武器库使用
前面知识是为了我们实现List提供武器库
template<class T> class list { typedef ListNode<T> Node; public: typedef ListIterator<T> Iterator; private: //创建哨兵位 Node* _head; size_t _size; };
武器使用:
关于typedef ListNode<T> Node与typedef ListIterator<T> Iterator这两个类可以当作武器库，主要是为List类提供服务。那么对于ListIterator类来说ListNode<T> Node也是当作一个武器进行使用。对于带头双向循环链表，成员对象需要哨兵位和记录个数对象。 2.2 获得List开头和结尾迭代器
Iterator begin(){ //return Iterator(_head->_next); return _head->_next;}Iterator end(){ //return Iterator(_head); return _head;}具体说明:
由于正在使用自定义类型的迭代器，返回类型为Iterator自定义类型。返回类型可以写成Node*类型，单参数的拷贝构造函数支持隐式类型转换。需要注意:
返回值没有传引用返回，由于该接口功能是返回开头和节点迭代器，如果传引用返回，会影响下一次调用该节点。我们不需要拿到这个位置的迭代器，只需要拿到这个位置的信息。小插曲:隐式类型转换
list<int> :: Iterator it = (lt._head->_next);由于_ head属于list类中的私有对象，不能直接的访问私有成员，通过公共接口访问。不同编译器底层实现是不同的，这也体现了封装的重要性。
2.3 关于迭代器失效
关于vector学习，我们知道在扩容或缩容的时候，可能会出现迭代器失效的问题。在list这里insert不会出现迭代器失效，但是erase就会出现迭代器失效。
关于解决不同编译器下erase导致迭代器失效的问题。方法有两个：迭代器失效以后，不要直接使用，如何要使用按照规则重新更新使用，返回被删除数据的迭代器。
2.4 insert
void insert(Iterator pos, const T& val){ Node* newnode = new Node(val); Node* cur = pos._node; Node* prev = cur->_prev; newnode->_next = cur; newnode-> _prev = prev; cur->_prev = newnode; prev->_next = newnode; _size++;}这里跟数据结构实现双向链表任意位置插入数据的逻辑是一样的，不同的地方就是这里使用迭代器。
2.5 erase
//这些需要使用迭代器作为返回类型，怕出现迭代器失效Iterator& erase(Iterator pos){ Node* cur = pos._node; Node* next = cur->_next; Node* prev = cur->_prev; delete cur; next->_prev = prev; prev->_next = next; _size--; //注意点 return Iterator(next);}具体说明:这里跟数据结构实现双向链表任意位置删除数据的逻辑是一样的。
需要注意：返回类型需要使用迭代器类型，怕出现迭代器失效，返回下一个位置的迭代器
2.6 复用insert与erase完成插入与删除
void push_back(const T& val){ insert(end(), val);}void pop_back(){ erase(--end());}void push_front(const T& val){ insert(begin(), val);}void pop_front(){ erase(begin());}具体说明：
在vector实现push_back和pop_back时，通过begin和end得到迭代器指向的位置。返回变量为具有常性的临时变量，不能通过++或–对其修改。在List中迭代器可以进行++或–操作，由于不是对临时对象本身进行修改，而是在运算符重载中改变了运算符的行为，修改是临时对象指向的内容。在vector中修改是对象本身当然是不信的。2.7 operator->重载
给出场景:关于之前类模板实例化中模板参数为内置类型，这次将T改为自定义类型，注意A是自定义类型。
struct A{ int a1 = 0, a2 = 0; A(int a1,int a2) :a1(1) ,a2(2) {}};list<A> lt;list<A> ::Iterator it = lt.begin();lt.push_back(A(1,2));lt.push_back({3,3});while (it != lt.end()){ cout << *it; it++;}在进行cout << *it中得到该类对象，并没有得到内部数据，对此有两个解决措施:
(*it).a1直接访问成员流插入的运算符重载 我们希望得到的效果是第二种写法，第一种感觉会冗余
第一种:(*it).a1
第二种:it->_a1
重点梳理:
先梳理思路list<A> ::Iterator it代表了it属于Iterator类对象。这里将it看成迭代器，其中*被运算符重载为_node->_data，其中_data类型就是自定义类型A。那么*it行为就是得到自定义类型A对象，通过A对象.内部成员变量方式进行访问。对于第二种:也是想通过->运算符重载得到A类型对象，但是很奇怪，得到了A类型对象怎么去访问A类型对象中成员变量呢？对此编译器为了可读性，省略了一个->，实际上是这样子的it.operator->()->_a1,编译器省略之后it->_a1就可以了，提高了可读性。 //返回A类型对象指针，很合理啦T* operator->(){ return &_node->_data;}
2.8 const_Iterator迭代器
2.8.1 实现const_Iterator迭代器
关于迭代器相关接口已经实现完毕，如果我们需要实现个指向内容不可以被修改的迭代器呢？
思考问题：
我们为什么要用const_Iterator而不是const Iterator呢？const修饰迭代器，是迭代器本身不能被修改，还是迭代器指向内容不能被修改呢？const Iterator begin() const{ return _head->_next;}const Iterator end() const{ return _head;}我们实现const版本迭代器目的就是为了指向内容不被修改。
分析过程：
Iterator是一个类，如果在前面加const，它表示的意思是这个类对象本身不能被修改，而不是指向内容不能被修改。实现链表的迭代器不是内置类型，而是自定义类型，在自定义类型前面使用const修饰代表本身不能被修改，会导致++或–运算符之类的运算符重载会失效。指出问题:迭代器指向内容是否被修改，需要对实现迭代器的类里面解引用运算符重载进行const修饰template<class T> struct ListConIterator { typedef ListNode<T> Node; typedef ListConIterator<T> Self; //只针对解引用 修改了迭代器的行为 但是++ --是将迭代器位置改变，迭代器指向的内容不能被修改 Node* _node; //迭代器还是依赖指针，通过类来改变运算符的行为 //这里是浅拷贝 拷贝构造函数 ListIterator(Node* node) :_node(node) {} Self& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } //后缀++ Self operator++(int) { //构造一个tmp临时变量 Self tmp(*this); _node = _node->_next; return tmp; } //这里需要判断空 Self& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; } // //后缀-- Self operator--(int) { //构造一个tmp临时变量 Self tmp(*this); _node = _node->_prev; return tmp; } const T& operator* () { return _node->_data; } //通过指针指向的节点去判断是否相等 bool operator==(const Self& it) { return _node == it._node; } bool operator!=(const Self& it) { return _node != it._node; } const T* operator->() { return &_head->_data; } };具体说明:将解引用操作符重载的返回值用const修饰，保证返回的数据不能被修改。这里没有对++和–的返回值进行修饰，因为++和–并不直接影响迭代器的内容，是针对迭代器（it）本身。
2.8.2 模板整合类型问题
不足之处:对于Ierator类与const_Ierator类的解引用运算符重载大体功能相同，主要区别在于不同情况下需要使用返回值类型不同，实现两个类显得有点冗余。如果问题是在于类型上差异导致的，可以将两个封装到同一个类中，使用模板实现。
typedef ListIterator<T, T&, T*> Iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_Iterator;template<class T,class Ref, class Ptr> struct ListIterator { typedef ListNode<T> Node; typedef ListIterator<T,Ref,Ptr> Self; Node* _node; //迭代器还是依赖指针，通过类来改变运算符的行为 //这里是浅拷贝 拷贝构造函数 ListIterator(Node* node) :_node(node) {} //Self& operator++() Self& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } //后缀++ Self operator++(int) { //构造一个tmp临时变量 Self tmp(*this); _node = _node->_next; return tmp; } Self& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; } //后缀-- Self operator--(int) { //构造一个tmp临时变量 Self tmp(*this); _node = _node->_prev; return tmp; } // T& operator* () Ref operator* () { return _node->_data; } //通过指针指向的节点去判断是否相等 bool operator==(const Self& it) { return _node == it._node; } bool operator!=(const Self& it) { return _node != it._node; } //T* operator->() Ptr operator->() { return &_head->_data; } };2.9 打印链表元素
void PrintList(const list<int>& clt){ list<int> ::Iterator it = clt.begin(); while (it != clt.end()) { *it += 10; cout << *it << " "; ++it; } cout << endl;}三、常规接口实现
3.1 构造函数
void empty_init() { _head = new Node; _head->_next = _head; _head->_prev = _head; _size = 0; }构造和拷贝构造都需要一份节点，那么可以复用一份
这里不需要对_data进行初始化，在new Node时已经完成
list() { empty_init(); }3.2 拷贝构造
list(const list<T>& lt) { empty_init(); for (auto e : lt) { push_back(e); } }3.3 operator= 赋值运算符
list<T>& operator=(list<T> it) { swap(it); return *this; }3.4 clear 清除
void clear(){ Iterator it = begin(); while (it != end()) { it = erase(it); }}说明:
这里是简单的资源清除，没有删除哨兵位同时在使用erase时，需要将下一个位置迭代器返回3.5 ~list 析构函数
~list(){ clear(); delete _head; _head = nullptr;}3.6 size 查看当前链表元素个数
//获得基本信息 size_t size() { return _size; }3.7 empty 判空
bool empty(){ return _size == 0;}List.h
#include <iostream>using namespace std;//链表 任意位置插入 不怕迭代器失效//链表 任意位置删除 怕迭代器失效 对此需要传下一个位置的迭代器namespace bit{//节点template<class T>struct ListNode{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;//创建节点，是传数据创建的ListNode(const T& x = T()):_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(x){}};//template<class T>//template<class T,class Ref, class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T,Ref,Ptr> Self;Node* _node;//迭代器还是依赖指针，通过类来改变运算符的行为//这里是浅拷贝 拷贝构造函数ListIterator(Node* node):_node(node){}//Self& operator++()Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//后缀++Self operator++(int){//构造一个tmp临时变量Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//后缀--Self operator--(int){//构造一个tmp临时变量Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}// T& operator* ()Ref operator* (){return _node->_data;} //通过指针指向的节点去判断是否相等 bool operator==(const Self& it) { return _node == it._node;} bool operator!=(const Self& it) { return _node != it._node; } //T* operator->()Ptr operator->() { return &_head->_data; }};//template<class T>//struct ListConIterator//{//typedef ListNode<T> Node;//typedef ListConIterator<T> Self;////只针对解引用 修改了迭代器的行为 但是++ --是将迭代器位置改变，迭代器指向的内容不能被修改//Node* _node;////迭代器还是依赖指针，通过类来改变运算符的行为////这里是浅拷贝 拷贝构造函数//ListIterator(Node* node)//:_node(node)//{}//Self& operator++()//{//_node = _node->_next;//return *this;//}////后缀++//Self operator++(int)//{////构造一个tmp临时变量//Self tmp(*this);//_node = _node->_next;//return tmp;//}////这里需要判断空//Self& operator--()//{//_node = _node->_prev;//return *this;//}//////////后缀--// Self operator--(int) //{////构造一个tmp临时变量//Self tmp(*this);//_node = _node->_prev;//return tmp;//}// // T& operator* () //{//return _node->_data;//}////通过指针指向的节点去判断是否相等//bool operator==(const Self& it)//{//return _node == it._node;//}//bool operator!=(const Self& it)//{//return _node != it._node;//}// T* operator->() //{//return &_head->_data;//}//};template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public://typedef ListIterator<T> Iterator;typedef ListIterator<T, T&, T*> Iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_Iterator;//不要传引用，不要修改这些位置Iterator begin(){//return Iterator(_head->_next);//单参数的拷贝构造函数支持隐式类型转换return _head->_next;}Iterator end(){//return Iterator(_head);return _head;}const Iterator begin() const{return _head->_next;}const Iterator end() const{return _head;}const_Iterator begin() const{//return Iterator(_head->_next);//单参数的拷贝构造函数支持隐式类型转换return _head->_next;}const_Iterator end() const{//return Iterator(_head);return _head;}//构造-->同时拷贝需要也需要一份节点 那么就可以复用同一份void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;//不需要 newndoe->date 在实例化时，data已经是0了_size = 0;}list(){empty_init();}//拷贝构造 list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto e : lt){push_back(e);}} list<T>& operator=(list<T>& it) { swap(it); return *this; } void swap(list<T>& it) { std::swap(_head, it._head); std::swap(_size, it._size); } //通过迭代器来实现void insert(Iterator pos, const T& val) { Node* newnode = new Node(val); Node* cur = pos._node; Node* prev = cur->_prev; newnode->_next = cur; newnode-> _prev = prev; cur->_prev = newnode; prev->_next = newnode; _size++; }//这些需要使用迭代器作为返回类型，怕出现迭代器失效Iterator& erase(Iterator pos) {Node* cur = pos._node;Node* next = cur->_next;Node* prev = cur->_prev;delete cur;next->_prev = prev;prev->_next = next;_size--;//注意点return Iterator(next); }void push_back(const T& val){insert(end(), val);}void pop_back(){erase(--end());}void push_front(const T& val){insert(begin(), val);}void pop_front(){erase(begin());}void clear(){Iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;} //获得基本信息 size_t size() { return _size; } bool empty() { return _size == 0; }private://创建哨兵位Node* _head;size_t _size;};struct A{int a1 = 0, a2 = 0;A(int a1 , int a2):a1(1),a2(2){}};void PrintList(const list<int>& clt){list<int> ::Iterator it = clt.begin();while (it != clt.end()){*it += 10;cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}void list_test(){//list<int> it;先插入//it.push_back(1);//it.push_back(2);//list<int> :: Iterator lt = it.begin();//A* ptr = &a1// (*ptr).a1;// ptr->_a1//返回的是临时变量 是一份临时拷贝 具有常性list<A> lt;list<A> ::Iterator it = lt.begin();lt.push_back(A(1,2));lt.push_back({3,3});while (it != lt.end()){cout << *it;it++;}}}以上就是本篇文章的所有内容，在此感谢大家的观看！这里是店小二呀C++笔记，希望对你在学习C++语言旅途中有所帮助！
