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前言
在C++编程中，数据结构是理解和应用算法的基础。列表list作为线性数据结构的一种，它提供了有序的元素集合，支持高效的插入和删除操作。掌握list的基本使用和模拟实现，不仅有助于加深对数据结构的理解，也是提高编程能力的关键。
本文将深入探讨list的基本概念、常见操作以及模拟实现方法。我们将从list的定义开始，逐步介绍如何使用标准库中的list类，并进一步探讨如何手动模拟实现一个简单的list数据结构。通过理论与实践的结合，帮助读者更好地理解和运用listt数据结构。
一.list的基本概念和使用
在C++中，list 是一种双向链表容器，属于标准模板库（STL）的一部分。
基本概念
-
定义：
list是一个序列容器，它允许非连续内存分配，并通过双向链表来管理元素。这意味着list支持常数时间内的任意位置插入和删除操作，但随机访问元素的时间复杂度较高（因为要顺序查找）。 -
结构：
list由一系列节点组成，每个节点包含数据部分(_val)和指向前一个(_prev)及后一个(_next)节点的指针。这种结构使得list在插入和删除操作时不需要移动大量数据，只需调整指针即可。 -
迭代器：
list提供了双向迭代器，支持向前和向后遍历元素。但需要注意的是，list的迭代器不是随机访问迭代器（因为内存地址不是连续的），因此不支持通过加减整数来直接访问某个位置的元素，只能（++/–)。
基本操作使用
-
创建和初始化：
-
使用默认构造函数创建一个空
list对象：std::list<int> mylist; -
使用初始化列表创建
list：std::list<int> mylist={1,2,3,4,5};
-
-
添加元素：
-
在末尾添加元素：
//mylist:1,2,3,4,5 //调用尾插函数push_back() mylist.push_back(6); -
在开头添加元素：
//mylist:1,2,3,4,5,6 //调用头插函数push_front() mylist.push_front(0); -
在指定位置插入元素：
//mylist:0,1,2,3,4,5,6 //获取begin位置的迭代器 std::list<int>::iterator it=mylist.begin(); //迭代器it++,指向下一个位置的迭代器 it++; //在迭代器it位置前，也就是元素1前插入10 //调用插入函数insert() it=mylist.insert(it.10);
-
-
删除元素：
-
删除指定位置的元素：
//mylist:0,10,1,2,3,4,5,6 //删除第二个元素10 std::list<int>::iterator it=mylist.begin(); it++; //调用删除函数erase() it=erase(it); -
删除第一个元素：
//mylist:0,1,2,3,4,5,6 //调用头删函数pop_front mylist.pop_front(); -
删除最后一个元素：
//mylist:1,2,3,4,5,6 //调用尾删函数pop_back mylist.pop_back(); -
清空整个
list：//调用清空函数clear() mylist.clear();
-
-
访问元素：
- 由于
list不是随机访问容器，因此不能通过索引直接访问元素。但可以使用迭代器遍历list来访问元素：std::list<int>::iterator it=mylist.begin(); while(it!=mylist.end()){ cout<<*it<<" " } cout<<endl;
- 由于
-
大小和容量：
-
获取
list中元素的数量：//调用size()函数 size_t sz=mylist.size(); -
判断
list是否为空：//调用empty()函数 bool ret=mylist.empty();
注意：list和string，vector这两个类不同的是，list的大小也就是存储的元素个数就是容量，不再区分，size和capacity
-
-
排序和查找：
-
对
list进行排序：//list类中有自己的sort()函数,也可以使用算法库函数里面的 mylist.sort(); -
查找元素（返回迭代器）：
//list类中没有find()函数，所以只能有算法库函数里面的 //查找值为4的迭代器位置 auto it=mylist.find(mylist.begin(),mylist.end(),4);
-
二.模拟实现list
上面我们了解完了如何使用list，接下来，我们将自己模拟实现一个属于自己的list，模拟实现可以帮助我们更好地了解list的底层结构，让我们更好的使用和理解list这个数据结构，而list作为一个双向循环链表，实现一个基本的list需要分别设计三个不同的类，节点类(_list_node)，用来封装节点结构；链表类(list)，用来封装链表的成员函数和链表结构；迭代器类(_list_iterator)，用来封装迭代器。
注意：list类和vector类，string类不同的是，list类需要对迭代器单独使用一个类进行封装，主要原因是因为它们的底层数据结构特性和访问方式的不同
-
list的底层数据结构：
list是基于链表实现的，链表的节点在内存中的存储位置是不连续的。- 为了在链表中实现顺序访问（即，通过迭代器逐一访问链表中的元素），需要设计一个迭代器类来封装链表节点的指针（可以理解为，迭代器类中的成员变量表示的是一个节点的指针），并通过运算符重载（如
++、--、*等）来模拟指针的行为。 - 迭代器类内部维护一个指向当前节点的指针，并通过这些运算符重载来移动到下一个或上一个节点，或访问当前节点的数据。
-
vector和string的底层数据结构：
vector和string是基于数组实现的，它们的元素在内存中是连续存储的。- 由于数组元素的连续性，可以直接使用原生指针（即数组元素的地址）作为迭代器，而无需额外的封装。
- 原生指针自然支持顺序访问（通过指针加减来访问相邻元素），因此
vector和string的迭代器本质上就是原生指针。
模拟实现的整体框架：
namespace Mylist{
template<class T>
struct _list_node{
//.....
};
//迭代器类封装
template<class T,class Ref,class Ptr>
class _list_iterator{
//.....
};
//链表类封装
template<class T>
class list{
//.....
};
}
1.节点类（_list_node)模拟实现
-
代码实现：
template<class T> struct _list_node{ //成员变量 _list_node<T>* _prev; _list_node<T>* _next; T _val; //构造函数 _list_node(const T& val=T()) :_prev(nullptr) ,_next(nullptr) ,_val(val) {} }; -
实现原理：
- 定义三个成员变量表示一个节点的结构：指向前一个节点的指针
_prev，指向后一个节点的指针_next，存储的数据_val - 构造函数初始化时，两个指针都设置为空指针，参数
val=T()表示创建的匿名对象（在上一篇vector的模拟实现中有用到，不理解的可以看上一篇文章），自定义类型不如string类型调用对应的构造函数，内置类型也可以调用构造函数初始化。
- 定义三个成员变量表示一个节点的结构：指向前一个节点的指针
2.迭代器类（_list_iterator)模拟实现
基本框架
-
代码实现：
template<class T,class Ref,class Ptr> struct _list_iterator{ typedef _list_node<T> node; typedef _list_iterator<T,Ref,Ptr> self; //成员变量 node* _node; //构造函数 _list_iterator(node* node) :_node(node) {} //....其他成员函数 }; -
实现原理：
_list_iteartor是一个模板类，模版参数有三个，这里参数T比较好理解，表示的是存储的数据类型，而后面两个比较难理解，这里先不做解释，在后面讲到相关函数时在详细解释。- 用
typedef对两个类类型名重定义（方便实用），注意，模板类和普通的类有一点不同，普通类，类名就是类型；而模版类，类名加上模版参数才是类型。 - 成员变量是一个节点的指针，构造函数将参数节点指针初始化为迭代器（其实本质上还是指针，因为迭代器就是一种指针类型）。
成员函数
1.operator++函数：
-
代码实现：
//前置++ self& operator++(){ _node=_node->_next; return *this; } //后置++ self operator++(int){ self tmp(*this); _node=_node->_next; return tmp; } -
实现原理：
- 因为list的迭代器不能直接加减常数，所以只能++或–，而++又分为前置++和后置++
- 前置++，迭代器本身需要+1，并且返回的是+1后的迭代器，直接让当前节点指针指向下一个节点即可，返回类型是
self&（_list_iterator<T,Ref,Ptr>&) - 后置++，拷贝构造一个新的迭代器用来保存+1前的迭代器，对原本的迭代器+1，返回保存的迭代器，返回类型时
self（_list_iterator<T,Ref,Ptr>)，因为保存的迭代器是一个局部变量，函数调用结束会销毁，所以不能用引用类型的返回。 - 后置++参数中的int是用来和前置++构成函数重载，进行区分
2.operator--函数：
-
代码实现：
//前置-- self& operator--(){ _node=_node->_prev; return *this; } //后置-- self operator--(int){ self tmp(*this); _node=_node->_prev; return tmp; } -
实现原理：
- –又分为前置–和后置–
- 前置–，迭代器本身需要-1，并且返回的是-1后的迭代器，直接让当前节点指针指向前一个节点即可，返回类型是
self&（_list_iterator<T,Ref,Ptr>&) - 后置–，拷贝构造一个新的迭代器用来保存-1前的迭代器，对原本的迭代器-1，返回保存的迭代器，返回类型时
self（_list_iterator<T,Ref,Ptr>)，因为保存的迭代器是一个局部变量，函数调用结束会销毁，所以不能用引用类型的返回。 - 后置–参数中的int是用来和前置–构成函数重载，进行区分
3.operator!=函数：
-
代码实现：
bool operator!=(const selt& it){ return _node!=it._node; } -
实现原理：
- 左参数迭代器和右参数迭代器判断是否不等，左参数迭代器是this，右参数迭代器是it
- 直接返回两个迭代器是否是同一个节点的指针
4.operator*函数：
-
代码实现：
T& operator*(){ return _node->_val; } const T& operator*(){ return _node->_val; } //使用模版参数合二为一 Ref operator*(){ return _node->_val; } -
实现原理：
- 首先迭代器是一个指向节点的指针，对其解引用*，表示获取节点中的数据域（
_val)存储的数据 - 返回节点中的数据域(
_val)，返回类型是T& - 这里有一个注意点，如果是对
const类型的迭代器解引用*，直接将返回类型写成T&就会导致const类型的无法调用该函数，写成const T&才可以调用，所以为了解决这个问题，引入了第二个模版参数Ref，用来自动替换这两个不同的类型。
- 首先迭代器是一个指向节点的指针，对其解引用*，表示获取节点中的数据域（
5.operator->函数：
-
代码实现：
T* operator->(){ return &_node->_val; } const T* operator->(){ return &_node->_val; } //使用模版参数合二为一 Ptr operator->(){ return &-node->_val; } -
实现原理：
->运算符重载和*不同的是，operator*，返回的是节点中存储的数据_val的地址，返回类型是T*类型- 和
operator*一样，如果有const类型的迭代器使用->，返回类型直接写成T*会导致const类型的无法调用该函数，写成const T*类型才可以调用，为了解决这个问题，引入了第三个模版参数Ptr，用来自动替换这两个不同的类型。
3.链表类(list)模拟实现
基本框架
- 代码实现：
template<class T>
class list{
//节点类类型重定义，因为只在类内部使用，所以设置成私有
typedef _list_node<T> node;
public:
//迭代器类类型重定义
typedef _list_iterator<T,T&,T*> iterator;
typedef _list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;
//...成员函数
private:
//成员变量
node* _head;
size_t _size;
};
- 实现原理：
- 将节点类类型重定义，设置成私有，迭代器类类型重定义，设置成公有
- 成员变量声明一个哨兵节点，声明一个大小用来记录链表的节点个数
默认成员函数
1.构造函数代码实现：
void empty_init(){
_head=new node;
_head->_next=_head;
_head->_prev=_head;
_size=0;
}
//构造函数
list(){
empty_init();
}
- 实现原理：
- 用一个函数将初始化的内容分开存放，这样方便拷贝构造函数直接调用
- 定义一个哨兵节点，该节点的前节点指针和后节点指针都指向该节点，将大小初始化为0
2.拷贝构造函数代码实现：
list(const list<T>& lt){
empty_init();
for(auto& e:lt){
push_back(e);
}
}
- 实现原理：
- 先用函数
empty_init()函数初始化一个空链表，也就是被拷贝的链表 - 用范围for循环，将被拷贝的链表中的节点数据依次插入到拷贝的链表中完成拷贝
- 先用函数
3.赋值运算符重载：
swap(list<T>& lt){
std::swap(_head,lt._head);
std::swap(_size,lt._size);
}
list<T>& operator=(list<T> lt){
swap(lt);
return *this;
}
- 实现原理：
- 用一个自己实现的交换函数，交换两个链表的哨兵节点和大小，就能达到赋值的效果
- 最后将被赋值的链表返回，返回类型是链表类类型
list<T>，返回要引用返回
4.析构函数：
void clear(){
auto it=begin();
while(it!=end()){
it=erase(it);
}
_size=0;
}
~list(){
clear();
delete _head;
_head=nullptr;
}
- 实现原理：
- 用一个自己实现的清空函数，通过迭代器来依次删除链表中的每个节点，再讲大小置为0
- 析构函数调用清空函数后，在通过
delete函数，释放哨兵节点，最后置为空指针
迭代器成员函数
1.begin()函数代码实现：
//普通对象类型的迭代器
iterator begin(){
return _head->_next;
}
//const对象类型的迭代器
const_iterator begin()const {
return _head->_next;
}
-
实现原理：
直接返回哨兵节点的下一个节点即可
2.end()函数代码实现：
//普通对象类型的迭代器
iterator end(){
return _head;
}
//const对象类型的迭代器
const_iterator end()const {
return _head;
}
-
实现原理：
直接返回哨兵节点即可
插入成员函数
1.insert()函数代码实现：
iterator insert(iterator pos const T& x){
node* newnode=new node(x);
node* cur=pos._node;
node* prev=cut->_prev;
prev->_next=newnode;
newnode->_next=cur;
cur->_prev=newnode;
newnode->_prev=prev;
_size++;
return pos
}
- 实现原理：
- 先创建需要插入的新节点newnode，然后找pos迭代器指向的当前节点cur，再找到pos当前指向的节点的前节点prev
- 将新节点插入到节点cur和prev中间即可
2.push_back()尾插函数代码实现：
void push_back(const T& x){
//相当于在哨兵节点前插入
insert(end(),x);
}
3.push_front()头插函数代码实现：
void push_front(const T& x){
//相当于在第一个节点前插入，也就是哨兵节点的后一个节点
insert(begin(),x);
}
删除成员函数
1.erase()删除函数代码实现：
iteraotr erase(iterator pos){
assert(pos!=end());
node* cur=pos._node;
node* prev=cur->_prev;
node* next=cur->_next;
prev->_next=next;
next->_prev=prev;
return next;
}
- 实现原理：
- 首先断言判断pos是否是指向哨兵节点的迭代器，因为不能将哨兵节点删除
- 找到当前迭代器pos指向的节点，再找到前节点prev，后节点next
- 将pos指向的节点删除，返回next指向的节点，也就是删除节点的下一个节点
2**pop_back()尾删函数代码实现:**
void pop_back(){
//相当于删除最后一个节点，也就是哨兵节点的前一个节点
erase(--end);
}
3.pop_front()头删函数代码实现：
void pop_front(){
//相当于删除第一个节点，也就是哨兵节点的后一个节点
erase(begin());
}
三.模拟实现完整代码
list.h文件
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<assert.h>
using namespace std;
namespace Mylist
{
//节点类封装
template<class T>
struct list_node
{
//成员变量，前节点指针，后节点指针，存储的数据val
list_node<T>* _next;
list_node<T>* _prev;
T _val;
//构造函数 创造节点
list_node(const T& val=T())
:_next(nullptr)
,_prev(nullptr)
,_val(val)
{}
};
//迭代器类封装
template<class T,class Ref,class Ptr>
struct _list_iterator
{
typedef _list_iterator<T,Ref,Ptr> self;
typedef list_node<T> node;
//成员变量 一个节点的指针
node* _node;
//构造函数 将传入的节点指针变为迭代器
_list_iterator(node* node)
:_node(node)
{}
Ref operator*(){
return _node->_val;
}
Ptr operator->(){
return &_node->_val;
}
bool operator!=(const self& it){
return _node!=it._node;
}
self& operator++(){
_node=_node->_next;
return *this;
}
self operator++(int){
self tmp(*this);
_node=_node->_next;
return tmp;
}
self& operator--(){
_node=_node->_prev;
return *this;
}
self operator--(int){
self tmp(*this);
_node=_node->_prev;
return tmp;
}
};
//链表类封装
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> node;
void empty_init(){
_head=new node;
_head->_next=_head;
_head->_prev=_head;
_size=0;
}
public:
//重定义迭代器类型
typedef _list_iterator<T,T&,T*> iterator;
typedef _list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;
iterator begin(){
//隐式类型转换，相当于调用_list_iterator()构造函数，创建迭代器类型的对象返回
return _head->_next;
}
iterator end(){
return _head;
}
const_iterator begin()const {
return _head->_next;
}
const_iterator end()const {
return _head;
}
//构造函数 创建带哨兵节点的链表
list(){
cout<<"list()"<<endl;
empty_init();
}
//拷贝构造函数
list(const list<T>& lt){
empty_init();
for(auto& e:lt){
push_back(e);
}
}
void swap(list<T>& lt)
{
std::swap(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
//赋值运算符重载
list<T>& operator=(list<T> lt){
swap(lt);
return *this;
}
void clear(){
auto it=begin();
while(it!=end()){
it=erase(it);
}
_size=0;
}
//析构函数
~list(){
cout<<"~list()"<<endl;
clear();
delete _head;
_head=nullptr;
}
//插入
iterator 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;
_size++;
return pos;
}
//尾插
void push_back(const T& x){
/* node* newnode=new node(x);
node*prev=_head->_prev;
prev->_next=newnode;
newnode->_next=_head;
newnode->_prev=prev;
_head->_prev=newnode;
_size++;*/
insert(end(),x);
}
//头插
void push_front(const T& x){
insert(begin(),x);
}
//删除
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;
_size--;
return next;
}
//尾删
void pop_back(){
//这里end()要先减后用，所以有前置--
erase(--end());
}
//头删
void pop_front(){
erase(begin());
}
size_t size()const {
return _size;
}
private:
//成员变量 哨兵节点
node* _head;
size_t _size;
};
//测试用例类
class A{
public:
A(int a1=0,int a2=0)
:_a1(a1)
,_a2(a2)
{}
int _a1;
int _a2;
};
}
test.cpp文件
#include"list.h"
void test1()
{
Mylist::list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
lt.push_front(5);
lt.push_front(6);
lt.push_front(7);
lt.push_front(8);
cout<<lt.size()<<endl;
Mylist::list<int>::iterator it=lt.begin();
while(it!=lt.end()){
cout<<*it<<" ";
it++;
}
cout<<endl;
lt.pop_back();
lt.pop_front();
for(auto e:lt){
cout<<e<<" ";
}
cout<<endl;
cout<<lt.size()<<endl;
lt.clear();
cout<<lt.size()<<endl;
}
void test2(){
Mylist::list<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
Mylist::list<int> v2(v1);
Mylist::list<int> v3;
v3=v1;
for(auto e:v2){
cout<<e<<" ";
}
cout<<endl;
for(auto e:v3){
cout<<e<<" ";
}
cout<<endl;
}
void test3(){
Mylist::list<Mylist::A> lt;
lt.push_back(Mylist::A(1,1));
lt.push_back(Mylist::A(2,2));
lt.push_back(Mylist::A(3,3));
lt.push_back(Mylist::A(4,4));
Mylist::list<Mylist::A>::iterator it=lt.begin();
while(it!=lt.end()){
cout<<it->_a1<<","<<it->_a2<<" ";
it++;
}
cout<<endl;
it=lt.begin();
while(it!=lt.end()){
cout<<(*it)._a1<<","<<(*it)._a2<<" ";
it++:
}
cout<<endl;
}
int main()
{
//test1();
//test2();
test3();
return 0;
}
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