【C++】list及其模拟实现

发布于：2025-07-14 ⋅ 阅读:(30) ⋅ 点赞:(0)

本文是小编巩固自身而作，如有错误，欢迎指出！

一.list简介

1.list特点

C++ 中的 std::list 是标准模板库（STL）提供的一个容器，是一个双向带头循环链表。

2.list的常见用法

list与string和vector的常见接口很类似，但唯独有一个不太一样，就是排序接口sort，像string和vector都是以顺序表的方式实现，而string以链表的方式实现，导致其排序的底层实现与string和vector不同，在排序时更加复杂，导致耗费时间更多，因此，如果在元素个数非常多的情况下，我们一般可以将list的元素先拷贝到vector中后，进行排序

#include <iostream>
#include <list>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::list<int> myList = {4,2,1,5,6};
    // 将元素从list拷贝到vector
    std::vector<int> myVector(myList.begin(), myList.end());
    // 在vector中排序
    std::sort(myVector.begin(), myVector.end());
    // 将排序后的元素从vector拷贝回list
    myList.assign(myVector.begin(), myVector.end());

    for (auto e : myList) {
        std::cout << e << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

二.list一些常见接口的模拟实现

1.类list的框架

我们回想一下，一个双向带头链表由什么组成？其就是由很多个节点组成，那么我们首先就能确定需要两个类，一个类是list这个链表，一个类是每一个节点

namespace yiming
{
template<class T>
	struct list_node//当不考虑用访问限定符做限制，所有成员公有的情况下，可以使用struct
	{
		T _data;
		list_node<T>* _next;
		list_node<T>* _prev;
		
	};
template<class T>
	class list
    {
      typedef list_node<T> Node;
      public:
	     Node* _head;
    }；
}

而我们要对链表进行操作，毫无疑问，我们需要用到指针，也就是迭代器，这里我们创建第三个类，迭代器

        
struct list_iterator
{
         typedef list_node<T> Node;
		typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;
		Node* _node;
}；

至于为什么这个模版有三个参数，我们后续详细讲

2.构造与析构

上面我们已经看了上述三个类的成员

我们现在看看其构造是怎么实现的

list_node(const T& x = T())
			:_data(x)
			, _next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
		{

		}
list_iterator(Node* node)
			:_node(node)
		{}
list()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}
void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
		}

大家可以看到，为什么只写了list的析构呢？其原因在于我们对链表操作时，使用迭代器，节点，希望其创造后仍可使用，而不是销毁，故其不需要析构函数。而我们后续对链表的操作，都是在list类的实现的，我们现在看看list类的其他构造函数

void empty_init()//初始化节点
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
		list()
		{
			empty_init();
		}
		list(const list<T>& lt)
		{
			//先让新创建的对象拥有自己的头尾节点
			empty_init();
			//遍历将后续节点接入
			for (const auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}
		list(initializer_list<T> il)//实现花括号进行初始化
		{
			empty_init();
			for (const auto& e : il)
			{
				push_back(e);
			}
		}
		void swap(list<T>& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
			std::swap(_size, lt._size);
		}
		list<T>& operator=( list<T> lt)//不使用引用，会调用拷贝构造，不用担心右侧值被修改
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}

3.迭代器操作

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

 上述是一些简单的头尾迭代器，而且应该大家也会发现我们上述的迭代器其模版有三个参数

		typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;
        typedef list_iterator<T,T&,T*> iterator;
		typedef list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;

其主要原因就是，首先我们在进行解引用的操作时，我们希望得到其拷贝的值，故其使用Ref（reference）,而我们使用时，时常会遇到const不匹配的情况，如下述代码

void print(const list<T>&lt)//如何实现指向的内容不能修该但是能对it进行操作？
	{
		typename list<T>::const_iterator it = lt.begin();//类模版未实例化，不能去类模版中找后面的东西,typename告诉编译器是类型而非静态成员变量
		while (it != lt.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}

其lt内的节点需要能够遍历而不能对其内的内容修改，也就是我们不能直接使用const进行修饰，那样会导致迭代器无法修改，导致无法 遍历，那我们按照直接的方法只能够选择一个新的类，其中全都是const类型的如下

template<class T>
	struct list_const_iterator
	{
		typedef list_node<T> Node;
		Node* _node;
		list_const_iterator(Node* node)
			:_node(node)
		{

		}
		~list_const_iterator()//迭代器不需要析构，由链表负责
		{

		}
		const T& operator*()
		{
			return _node->_data;
		}
		list_const_iterator<T>& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}
		list_const_iterator<T>& operator++(int)
		{
			list_const_iterator<T> tmp(*this);
			_node = _node->_next;
			return tmp;
		}
		list_const_iterator<T>& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}
		list_const_iterator<T>& operator--(int)
		{
			list_const_iterator<T> tmp(*this);
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}
		bool operator==(const list_const_iterator<T>& it)const
		{
			return _node == it._node;
		}
		bool operator!=(const list_const_iterator<T>& it)const
		{
			return _node != it._node;
		}
	};

很明显这样就太麻烦了，所以我们选择直接将模版给予多个参数，直接模版化，那么后续的迭代器实现就可以不需要多写一遍了

  Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}
		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}
	    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;
		}
		bool operator==(const Self& it)const
		{
			return _node == it._node;
		}
		bool operator!=(const Self& it)const
		{
			return _node != it._node;
		}
	};

 

 4.增删插改操作

其所有的头插，尾插头删尾删都是基于，insert插入，erase删除完成的

void push_back(const T& x)
		{
			//Node* newnode = new Node(x);
			//Node* tail = _head->_prev;
			//tail->_next = newnode;
			//newnode->_prev = tail;
			//newnode->_next = _head;
			//_head->_prev = newnode;
			insert(end(), x);
		}
		void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(), x);
		}
		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}
		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}
		iterator insert(iterator pos, const T& val)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;  // 保存原始前驱节点
			Node* newnode = new Node(val);

			// 建立新节点连接
			newnode->_prev = prev;    // ← 先指向原始前驱
			newnode->_next = cur;     // → 指向当前节点

			// 更新相邻节点
			prev->_next = newnode;    // 原始前驱→新节点
			cur->_prev = newnode;     // 当前节点←新节点
			++_size;
			return iterator(newnode);
			
		}
		iterator erase(iterator pos)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* next = cur->_next;

			cur->_next = next;
			cur->_prev = prev;
			delete cur;
			--_size;
			return iterator(next);
			
		}

 而其原理，我们之前在学习链表时已经详细讲述过了，不清楚的同学可以看看以下链接

链表的增删查改

5.容量操作

size_t size()const
		{
			//int n = 0;
			//for (auto e : *this)
			//{
			//	++n;
			//}
			//return n;
			return _size;
		}

可以看到我们可以使用遍历的方式来实现对链表个数的统计，但是我们也可以直接添加一个成员变量size，在insert后++，erase后--；

三.完整代码实现

头文件

#pragma once
#include<iostream>
#include<list>
using namespace std;
namespace yiming
{
	template<class T>
	struct list_node//当不考虑用访问限定符做限制，所有成员公有的情况下，可以使用struct
	{
		T _data;
		list_node<T>* _next;
		list_node<T>* _prev;
		list_node(const T& x = T())
			:_data(x)
			, _next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
		{

		}
	};
	template<class T,class Ref,class Ptr>
	struct list_iterator
	{
		typedef list_node<T> Node;
		typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;
		Node* _node;
		list_iterator(Node* node)
			:_node(node)
		{

		}
		~list_iterator()//迭代器不需要析构，由链表负责
		{

		}
	    Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}
		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}
	    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;
		}
		bool operator==(const Self& it)const
		{
			return _node == it._node;
		}
		bool operator!=(const Self& it)const
		{
			return _node != it._node;
		}
	};
	//template<class T>
	//struct list_const_iterator
	//{
	//	typedef list_node<T> Node;
	//	Node* _node;
	//	list_const_iterator(Node* node)
	//		:_node(node)
	//	{

	//	}
	//	~list_const_iterator()//迭代器不需要析构，由链表负责
	//	{

	//	}
	//	const T& operator*()
	//	{
	//		return _node->_data;
	//	}
	//	list_const_iterator<T>& operator++()
	//	{
	//		_node = _node->_next;
	//		return *this;
	//	}
	//	list_const_iterator<T>& operator++(int)
	//	{
	//		list_const_iterator<T> tmp(*this);
	//		_node = _node->_next;
	//		return tmp;
	//	}
	//	list_const_iterator<T>& operator--()
	//	{
	//		_node = _node->_prev;
	//		return *this;
	//	}
	//	list_const_iterator<T>& operator--(int)
	//	{
	//		list_const_iterator<T> tmp(*this);
	//		_node = _node->_prev;
	//		return tmp;
	//	}
	//	bool operator==(const list_const_iterator<T>& it)const
	//	{
	//		return _node == it._node;
	//	}
	//	bool operator!=(const list_const_iterator<T>& it)const
	//	{
	//		return _node != it._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;
		iterator begin()
		{
			return iterator(_head->_next);
		}
		iterator end()
		{
			return iterator(_head);
		}
		const_iterator begin()const
		{
			return const_iterator(_head->_next);
		}
		const_iterator end()const 
		{
			return const_iterator(_head);
		}
		void empty_init()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
		list()
		{
			empty_init();
		}
		list(const list<T>& lt)
		{
			//先让新创建的对象拥有自己的头尾节点
			empty_init();
			//遍历将后续节点接入
			for (const auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}
		list(initializer_list<T> il)
		{
			empty_init();
			for (const auto& e : il)
			{
				push_back(e);
			}
		}
		void swap(list<T>& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
			std::swap(_size, lt._size);
		}
		list<T>& operator=( list<T> lt)//不使用引用，会调用拷贝构造，不用担心右侧值被修改
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}
		//list<T>& operator=(const list<T>& lt)
		//{
		//	if (this != &lt)//不是同一个节点时
		//	{
		//		clear();
		//		for (const auto& e : lt)
		//		{
		//			push_back(e);
		//		}
		//	}
		//	return *this;
		//}
		

		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}
		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
		}
		void push_back(const T& x)
		{
			//Node* newnode = new Node(x);
			//Node* tail = _head->_prev;
			//tail->_next = newnode;
			//newnode->_prev = tail;
			//newnode->_next = _head;
			//_head->_prev = newnode;
			insert(end(), x);
		}
		void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(), x);
		}
		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}
		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}
		iterator insert(iterator pos, const T& val)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;  // 保存原始前驱节点
			Node* newnode = new Node(val);

			// 建立新节点连接
			newnode->_prev = prev;    // ← 先指向原始前驱
			newnode->_next = cur;     // → 指向当前节点

			// 更新相邻节点
			prev->_next = newnode;    // 原始前驱→新节点
			cur->_prev = newnode;     // 当前节点←新节点
			++_size;
			return iterator(newnode);
			
		}
		iterator erase(iterator pos)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* next = cur->_next;

			cur->_next = next;
			cur->_prev = prev;
			delete cur;
			--_size;
			return iterator(next);
			
		}
		size_t size()const
		{
			//int n = 0;
			//for (auto e : *this)
			//{
			//	++n;
			//}
			//return n;
			return _size;
		}
	private:
		Node* _head;
		size_t _size=0;
	};
}

测试文件

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include"List.h"
namespace yiming
{
	template<class T>
	void print(const list<T>&lt)//如何实现指向的内容不能修该但是能对it进行操作？
	{
		typename list<T>::const_iterator it = lt.begin();//类模版未实例化，不能去类模版中找后面的东西,typename告诉编译器是类型而非静态成员变量
		while (it != lt.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}
	void test01()
	{
		yiming::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();
		lt.insert(it, 10);
		lt.push_back(6);
		lt.push_front(3);
		print(lt);
		yiming::list<int> lt2(lt);
		print(lt2);
		yiming::list<int> lt3={ 1,2,3,4,5 };
		print(lt3);
		
	}
}
int main()
{
	yiming::test01();
	return 0;
}

测试结果

本次分享就到这里结束了，后续会继续更新，感谢阅读！

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