详解C++ STL模拟实现list

让我来详细讲解一下“详解C++ STL模拟实现list”的完整攻略。

1、前言

在C++ STL标准库中，list是一个双向链表容器。它提供了快速插入和删除操作，但是访问元素的效率较低。在实际的编程实践中，我们可能需要实现自己的list容器类，以便更好地掌握该容器的原理和使用。本文将详解如何在C++中模拟实现list容器类。

2、List的定义

list容器类是一个双向链表。链表是一种非连续存储结构，每个元素称为结点，每个结点都包含一个指向前驱结点的指针和一个指向后继结点的指针。通过这种方式，结点逐个连接起来形成链表，最后得到一个链表。

3、List的实现

3.1 数据结构

在实现list容器类时，我们需要定义两个类：结点类（Node）和list类（List）。

结点类用于表示链表的结点，包含三个成员变量：前驱指针，后继指针和数据指针。其中，前驱指针和后继指针分别指向该结点的前驱结点和后继结点；数据指针用于存储该结点所代表的数据。

template <typename T>
struct Node {
    Node<T>* next; // 后继指针
    Node<T>* prev; // 前驱指针
    T data;        // 数据
};

list类用于表示链表，其中包含两个指针，分别指向链表的头部和尾部结点。该类还包括一些成员函数，用于对链表进行操作。

template <typename T>
class List {
public:
    List();     // 构造函数
    ~List();    // 析构函数

    bool empty() const;                      // 判断链表是否为空
    int size() const;                        // 获取链表大小
    void push_front(const T& val);           // 在链表头部插入元素
    void push_back(const T& val);            // 在链表尾部插入元素
    void pop_front();                        // 删除链表头部元素
    void pop_back();                         // 删除链表尾部元素
    void remove(const T& val);               // 删除链表中指定的元素
    void clear();                            // 清空链表
private:
    Node<T>* m_head;  // 链表头结点
    Node<T>* m_tail;  // 链表尾结点
    int m_size;       // 链表大小
};

3.2 成员函数的实现

在实现list容器类的成员函数时，我们需要按照相应的规则操作链表结点。以下是具体的实现方法和说明：

构造函数

template <typename T>
List<T>::List() {
    m_head = new Node<T>;
    m_tail = new Node<T>;
    m_head->next = m_tail;
    m_tail->prev = m_head;
    m_size = 0;
}

在构造函数中，我们先创建两个结点，分别作为链表的头结点和尾结点。然后将两个结点分别互相指向，最后将链表大小设置为0。

析构函数

template <typename T>
List<T>::~List() {
    clear();          // 清空链表
    delete m_head;    // 删除头结点
    delete m_tail;    // 删除尾结点
}

在析构函数中，我们首先需要清空链表中的所有结点，然后再依次删除头结点和尾结点。

判断链表是否为空

template <typename T>
bool List<T>::empty() const {
    return m_size == 0;
}

获取链表大小

template <typename T>
int List<T>::size() const {
    return m_size;
}

在链表头部插入元素

template <typename T>
void List<T>::push_front(const T& val) {
    Node<T>* newNode = new Node<T>;
    newNode->data = val;
    newNode->prev = m_head;
    newNode->next = m_head->next;
    m_head->next->prev = newNode;
    m_head->next = newNode;
    ++m_size;
}

在链表头部插入一个元素时，我们需要创建一个新的结点，并将其插入到链表头部。具体实现步骤如下：

创建一个新的结点newNode；
将该结点的数据成员设置为要插入的元素val；
将该结点的前驱指针指向头结点；
将该结点的后继指针指向头结点的后继结点；
将头结点的后继结点的前驱指针指向新的结点newNode；
将头结点的后继指针指向新的结点newNode；
将链表大小加1。
在链表尾部插入元素

template <typename T>
void List<T>::push_back(const T& val) {
    Node<T>* newNode = new Node<T>;
    newNode->data = val;
    newNode->prev = m_tail->prev;
    newNode->next = m_tail;
    m_tail->prev->next = newNode;
    m_tail->prev = newNode;
    ++m_size;
}

在链表尾部插入一个元素时，我们需要创建一个新的结点，并将其插入到链表尾部。具体实现步骤如下：

创建一个新的结点newNode；
将该结点的数据成员设置为要插入的元素val；
将该结点的前驱指针指向尾结点的前驱结点；
将该结点的后继指针指向尾结点；
将尾结点的前驱结点的后继指针指向新的结点newNode；
将尾结点的前驱指针指向新的结点newNode；
将链表大小加1。
删除链表头部元素

template <typename T>
void List<T>::pop_front() {
    if (empty()) {
        return;
    }
    Node<T>* nodeToDelete = m_head->next;
    m_head->next = nodeToDelete->next;
    nodeToDelete->next->prev = m_head;
    delete nodeToDelete;
    --m_size;
}

在删除链表头部元素时，我们需要先判断链表是否为空。如果链表为空，则直接返回；否则，我们需要做以下操作：

获取头部结点的下一个结点nodeToDelete；
将头部结点的后继指针指向nodeToDelete的后一个结点；
将nodeToDelete的后一个结点的前驱指针指向头部结点；
删除nodeToDelete结点；
将链表大小减1。
删除链表尾部元素

template <typename T>
void List<T>::pop_back() {
    if (empty()) {
        return;
    }
    Node<T>* nodeToDelete = m_tail->prev;
    m_tail->prev = nodeToDelete->prev;
    nodeToDelete->prev->next = m_tail;
    delete nodeToDelete;
    --m_size;
}

在删除链表尾部元素时，我们需要先判断链表是否为空。如果链表为空，则直接返回；否则，我们需要做以下操作：

获取尾部结点的前一个结点nodeToDelete；
将尾部结点的前驱指针指向nodeToDelete的前一个结点；
将nodeToDelete的前一个结点的后继指针指向尾部结点；
删除nodeToDelete结点；
将链表大小减1。
删除链表中指定的元素

template <typename T>
void List<T>::remove(const T& val) {
    Node<T>* current = m_head->next;
    while (current != m_tail) {
        if (current->data == val) {
            Node<T>* nodeToDelete = current;
            current = current->next;
            nodeToDelete->prev->next = nodeToDelete->next;
            nodeToDelete->next->prev = nodeToDelete->prev;
            delete nodeToDelete; 
            --m_size;
        } else {
            current = current->next;
        }
    }
}

在删除链表中指定的元素时，我们需要遍历整个链表，找到第一个值与指定元素val相等的结点，然后将其删除。如果链表中有多个相等的元素，则需要删除所有这些元素。具体实现步骤如下：

从头部结点开始遍历链表；
如果当前结点的值等于指定元素val，则将该结点删除；
将当前结点指向下一个结点。
清空链表

template <typename T>
void List<T>::clear() {
    Node<T>* current = m_head->next;
    while (current != m_tail) {
        Node<T>* nodeToDelete = current;
        current = current->next;
        delete nodeToDelete;
    }
    m_head->next = m_tail;
    m_tail->prev = m_head;
    m_size = 0;
}

在清空链表时，我们需要遍历整个链表，逐个删除每个结点。最后，我们需要将头结点和尾结点相互指向，并将链表大小设置为0。

4、示例说明

以下是两个具体的示例说明，用于演示如何使用我们实现的list容器类。

4.1 在list中插入和删除元素

#include "List.h"
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    List<int> myList;         // 创建一个list对象
    myList.push_back(1);      // 将元素1插入到尾部
    myList.push_back(2);      // 将元素2插入到尾部
    myList.push_front(0);     // 将元素0插入到头部
    myList.pop_back();        // 删除尾部的元素
    myList.remove(1);         // 删除元素1
    for (Node<int>* current = myList.head()->next; current != myList.tail(); current = current->next) { // 遍历list
        cout << current->data << endl;
    }
    return 0;
}

在该示例中，我们创建了一个list对象myList，并通过push_back、push_front、pop_back和remove等函数向其中插入和删除元素。最后，我们通过遍历list来输出其中的元素。

4.2 在list中查找指定元素

#include "List.h"
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    List<int> myList;       // 创建一个list对象
    myList.push_back(1);    // 将元素1插入到尾部
    myList.push_back(2);    // 将元素2插入到尾部
    myList.push_front(0);   // 将元素0插入到头部
    int val = 1;            // 指定元素为1
    Node<int>* current = myList.head()->next;
    while (current != myList.tail()) {
        if (current->data == val) {    // 查找指定元素
            cout << "Found " << val << endl;
            break;
        }
        current = current->next;
    }
    if (current == myList.tail()) {    // 没有找到指定元素
        cout << val << " is not found." << endl;
    }
    return 0;
}

在该示例中，我们创建了一个list对象myList，并向其中插入三个元素。然后，我们通过指定要查找的元素，遍历list来查找指定元素是否存在。如果存在，则输出“Found”，否则输出“not found”。

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