C++初阶之list的使用和模拟以及反向迭代器的模拟实现

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一.list简介

        list是一个带头双向链表，在数据结构的时候，我写过关于带头双向循环链表的实现，可以看博客https://yangking.blog.csdn.net/article/details/134495668，我们可以看下面的图，是list的存储结构，

本次的内容包括list的使用，list的模拟实现，list的迭代器以及反向迭代器的原理，模拟实现和使用，最重要的是迭代器和反向迭代器的内容，在前面string和vector中迭代器是原生的指针，但是在这里不是，具体是什么样子的我们可以看后面的内容。 

二.一个简易的list

2.1.单个节点

template<class T>
struct ListNode
{
	typedef  ListNode<T>  Node;
		
	Node* _next;
	Node* _prev;
	T _data;
	ListNode(const T& val = T())
		: _next(nullptr)
		, _prev(nullptr)
		, _data(val)
	{}
};

在这里我们可以使用strcut结构体来创建一个节点

2.2.默认构造

void empty_init()
{
	_head = new Node;
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	_size = 0;
}
list()
{
	empty_init();
}

我们创建一个头节点， 让它指向自己。

2.3push_back

void push_back(const T& val)
{
	Node* newnode = new Node(val);
	Node* prev = _head._node->_prev;
	Node* cur = _head._node;

	prev->_next = newnode;
	newnode->_prev = prev;
	newnode->_next = cur;
	cur->_prev = newnode;
	_size++;
}

在这里我们就是简单的插入操作，不给具体的解释。到这里我们简易的list就完成了，我们依次插入1234可以看到

void test()
{
	list<int> l;
	l.push_back(1);
	l.push_back(2);
	l.push_back(3);
	l.push_back(4);
}

三.迭代器

        我们封装一个迭代器的类，我们的迭代器需要支持

list<int>::iterator it = lt1.begin();
while (it != lt1.end())
{
	cout << *it << " ";
	++it;
}
cout << endl;

所以我们里面需要包括!=,*it,++it,以及begin和end这些内容，我们需要知道迭代器模仿的是Node*这个行为，我们看一下模拟代码：

template <class T>
struct ListIterator
{
	typedef ListNode<T>  Node;
	typedef ListIterator<T> Self;
	Node* _node;
	ListIterator(Node* node)
		:_node(node)
	{}
	bool operator==(const Self& it)
	{
		return _node == it._node;
	}
	bool operator!=(const Self& it)
	{
		return _node != it._node;
	}


	Self& operator--()
	{
		_node = _node->_prev;
		return *this;
	}
	Self operator--(int)
	{
		Self tmp(_node);
		_node = _node->_prev;
		return *tmp;
	}
	Self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}
	Self operator++(int)
	{
		Self tmp(_node);
		_node = _node->_next;
		return tmp;
	}
	T& operator*()
	{
		return _node->_data;
	}
};

我们在list类里面加入

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

我们运行测试代码

void test()
{
	list<int> l;
	l.push_back(1);
	l.push_back(2);
	l.push_back(3);
	l.push_back(4);
	list<int>::iterator it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;
}

运行结果为

四.insert和erase以及复用

4.1insert

 在这里我们的insert用迭代器进行插入，给以个位置，插入它的前面，

 我们的代码如下：

void insert(iterator pos, const T& val)
{
	Node* newnode = new Node(val);
	Node* prev = pos._node->_prev;
	Node* cur  = pos._node;

	prev->_next = newnode;
	newnode->_prev = prev;
	newnode->_next = cur;
	cur->_prev = newnode;
	_size++;
}

有了我们的insert我们的push_back可以复用我们的insert，可以改为

void push_back(const T& val)
{
	insert(end(), val);
}

在这里我们的insert不会造成迭代器失效，因为指针指向的位置不会发生改变，它是插入到pos位置的前面。

4.2erase以及迭代器失效

对于返回值为什么是iterator，这和我们的迭代器失效有关，我们先用void来展示其中的问题。

void erase(iterator pos)
{
	Node* prev = pos._node->_prev;
	Node* next = pos._node->_next;

	delete pos._node;
	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;
	_size--;
}

我们的测试代码如下：
 

void test()
{
	list<int> l;
	l.push_back(1);
	l.push_back(2);
	l.push_back(3);
	l.push_back(4);
	list<int>::iterator it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		if (*it % 2 == 0) l.erase(it);
		else it++;
	}
	it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;
}

在这里会出现错误，原因是迭代器失效，野指针的引用，所以我们需要对迭代器进行维护，所以有了返回值，我们改为

iterator erase(iterator pos)
{
	Node* prev = pos._node->_prev;
	Node* next = pos._node->_next;

	delete pos._node;
	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;
	_size--;
	return next;
}

4.3复用

有了这两个，我们的pop_back，pop_front,push_front就可以有了

void pop_back()
{
	erase(--end());
}
void pop_front()
{
	erase(begin());
}
void push_front(const T& val)
{
	insert(begin(), val);
}

五.operator->（）

        我们的T是一个结构体

struct A
{
	int a = 1;
	int b = 2;
};
void test()
{
	list<A> l;
	l.push_back({ 1,2 });
	l.push_back({ 2,3 });
	l.push_back({ 3,4 });
	l.push_back({ 4,5 });
	list<A>::iterator it = l.begin();

	while (it != l.end())
	{
	/*	cout << (*it).a << " " << (*it).b << endl;*/
		cout << it._node->_data.a << " " << it._node->_data.b << endl;
		it++;
	}
}

 我们的解引用是不是看的非常难受，所有我们需要operator一下，

T* operator->()
{
	return &_node->_data;
}

 我们改为

cout << it->a << " " << it->b << endl;

六.const迭代器

        有了我们的非const版本的，那么我们就需要我们的const版本的，const版本就是将所有的都复制一份，然后operator*返回const的

template <class T>
struct ListConstIterator
{
	typedef ListNode<T>  Node;
	typedef ListConstIterator<T> Self;
	Node* _node;
	ListConstIterator(Node* node)
		:_node(node)
	{}
	bool operator==(const Self& it)
	{
		return _node == it._node;
	}
	bool operator!=(const Self& it)
	{
		return _node != it._node;
	}


	Self& operator--()
	{
		_node = _node->_prev;
		return *this;
	}
	Self operator--(int)
	{
		Self tmp(_node);
		_node = _node->_prev;
		return *tmp;
	}
	Self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}
	Self operator++(int)
	{
		Self tmp(_node);
		_node = _node->_next;
		return tmp;
	}
	const T& operator*()
	{
		return _node->_data;
	}
	const T* operator->()
	{
		return &_node->_data;
	}
};

由于这个会和非fonst很多内容一样，会造成代码冗余，所以我们可以利用模板来简化我们的代码，我们非const的代码函数的返回值为Self，T&,T*，const版本的是Self，const T&，const T*，所以我们可以写成模板

template <class T,class Ref,class Ptr>
struct ListIterator
{
	typedef ListNode<T>  Node;
	typedef ListIterator< T, Ref, Ptr> Self;
	Node* _node;
	ListIterator(Node* node)
		:_node(node)
	{}
	bool operator==(const Self& it)
	{
		return _node == it._node;
	}
	bool operator!=(const Self& it)
	{
		return _node != it._node;
	}


	Self& operator--()
	{
		_node = _node->_prev;
		return *this;
	}
	Self operator--(int)
	{
		Self tmp(_node);
		_node = _node->_prev;
		return *tmp;
	}
	Self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}
	Self operator++(int)
	{
		Self tmp(_node);
		_node = _node->_next;
		return tmp;
	}
	Ref operator*()
	{
		return _node->_data;
	}
	Ptr operator->()
	{
		return &_node->_data;
	}
};

我们在list类里面写入

typedef ListIterator<T,T&,T*> iterator;
typedef ListIterator<T,const T&,const T*> const_iterator;

这样我们由我们自己写改为了编译器去写。

七.反向迭代器

        我们的反向得带起是使用正向迭代器进行写的，它的rbegin是正向迭代器的end，rend是正向迭代器的begin，所以它的operator*是解引用前一个的。

template <class Iterator, class Ref, class Ptr>
struct ReverseIterator
{
	typedef ReverseIterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;

	Iterator _it;
		
	ReverseIterator(Iterator it)
		:_it(it)
	{}
	Ref operator*()
	{
		Iterator tmp = _it;
		--tmp;
		return *tmp;
	}
	Ptr operator->()
	{
		return _it.operator->();
	}

	Self rbegin()
	{
		return ReverseIterator(_it.end());
	}
	Self rend()
	{
		return ReverseIterator(_it.begin());
	}
	Self operator++()
	{
		--_it;
		return *this;
	}
	Self operator++(int)
	{
		Iterator tmp = _it;
		--_it;
		return tmp;
	}
	Self operator--()
	{
		++_it;
		return *this;
	}
	Self operator--(int)
	{
		Iterator tmp = _it;
		tmp = _it;
		++_it;
		return tmp;
	}
	bool operator!=(Self it)
	{
		return _it != it._it;
	}

};

到这里我们的内容结束了。

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