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1.2.3 一个模板实现 const 与 非const 迭代器
1.list的模拟实现
要模拟实现list，必须要熟悉list的底层结构以及其接口的含义，通过上一篇的学习，这些内容已基本掌握，现在我们来模拟实现list。
1.1 成员变量和节点
首先，这里 list 设置成两个成员变量，_head 和 _size， _head用来指向头节点，_size用来记录list有多少个元素。然后还需要自定义list节点的类型。
template<class T>
struct list_node//节点类
{
T _data;
list_node<T>* _next;
list_node<T>* _prev;
list_node(const T& x = T())//构造函数
:_data(x)
, _next(nullptr)
, _prev(nullptr)
{}
};
template<class T>
class list//list类
{
typedef list_node<T> Node;
void empty_init()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
_size = 0;
}
list()//构造函数
{
empty_init();
}
private:
Node* _head;
size_t _size;
};1.2 迭代器实现
在vector中，我们可以迭代器直接利用原生指针来实现，而在list中因为所使用的空间并不是连续的，我们需要对迭代器进行封装，内部存放一个Node* 类型的指针，运算符重载一些要使用的操作。
迭代器要使用的操作
- ++ / --
- * ->
- != / ==
1.2.1 非const的迭代器
template<class T>
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T> self;
Node* _node;
__list_iterator(Node* node = nullptr)
:_node(node)
{}
T& operator*()
{
return _node->_data;
}
T* operator->()//为数据存放的是自定义类型准备的。
{
return &_node->_data;
}
};1.2.2 const的迭代器
const 迭代器要保证指向的内容不能被修改，而不是简单的在非const 迭代器前加上一个const，这样只是保证了迭代器不能被改变，不能进行++操作，所以必须再实现一个const类型迭代器。
template<class T>
struct __list_const_iterator
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_const_iterator<T> self;
Node* _node;
__list_const_iterator(Node* node = nullptr)
:_node(node)
{}
//*it = 10;
const T& operator*()
{
return _node->_data;
}
//it->a1 = 10;
const T* operator->()//为数据存放的是自定义类型准备的。
{
return &_node->_data;
}
};1.2.3 一个模板实现 const 与 非const 迭代器
可以发现上面两个迭代器只有 * -> 返回值不一样，写起来比较繁琐，我们可以用一个模板实现。
//const_iterator 和 iterator需要实现两个类，太繁琐
// 可以利用模板实现
//同一个类模板，模板参数不容类型不同
//实例化的参数不容，类型完全不同，
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 = nullptr)
:_node(node)
{}
self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
self operator--(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
Ref operator*()
{
return _node->_data;
}
Ptr operator->()//为数据存放的是自定义类型准备的。
{
return &_node->_data;
}
bool operator!=(const self& it)
{
return _node != it._node;
}
bool operator==(const self& it)
{
return _node == it._node;
}
};list类中使用迭代器：
public:
/*typedef __list_iterator<T> iterator;
typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;*/
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
iterator begin()
{
return _head->_next;//node指针，单参数构造函数，隐式类型转换
}
iterator end()
{
return _head;
}
//const迭代器
//const iterator 是修饰的是迭代器本身，迭代器就不能++了，
//const迭代器的目的是让内容不能被修改
//const_iterator 与iterator是两种完全不同的类型，没有什么关系
//const_iterator 是重新定义的类型。本身可以修改，指向的内容不能修改
const_iterator begin()const
{
return _head->_next;//node指针，单参数构造函数，隐式类型转换
}
const_iterator end()const
{
return _head;
}1.3 增删改查的实现
第一步我们来模拟实现insert 和 erase，实现这个接口后，我们其他插入删除操作可以通过嵌套这两个函数实现，这里使用到了链表的知识，不理解的可以画一下图。
iterator insert(iterator pos,const T& val)
{
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* newnode = new Node(val);
//prev -> newnode -> cur
newnode->_next = cur;
newnode->_prev = prev;
prev->_next = newnode;
cur->_prev = newnode;
_size++;
return iterator(newnode);//构造一个iterator的匿名对象返回，
//也可以直接返回newnode，进行隐式类型转换
}
iterator erase(iterator pos)//迭代器会失效
{
if(_head->_next!=_head)
{
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* next = cur->_next;
//prev -> next
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete cur;
_size--;
return iterator(next);
}
}
void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x);
}
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}1.4 拷贝构造函数，析构函数与赋值运算符重载
这里实现构造函数，析构函数，与赋值运算符重载。通过嵌套可以实现的更简洁。
list(const list<T>& l)
{
empty_init();
for (auto e : l)
{
push_back(e);
}
}
void swap(list<T>& l)
{
std::swap(_head, l._head);
std::swap(_size, l._size);
}
list<T>& operator=(list<T> l)
{
//这里传参已经是实现拷贝构造,只需交换*this和l 就可以实现赋值赋值运算符重载
swap(l);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
}1.5 泛型编程实现打印
我们可以使用一个模板函数来实现可以打印不同容器的内容。
void test4()
{
list<int> l1;
l1.push_back(1);
l1.push_back(2);
l1.push_back(3);
l1.push_back(4);
l1.push_back(5);
l1.push_back(6);
//print_list(l1);
print_Container(l1);
list<string> l2;
l2.push_back("12345678");//这里list.push_back 不会涉及深拷贝的问题，
//vector是因为开空间要拷贝原来数据
l2.push_back("12345678");
l2.push_back("12345678");
l2.push_back("12345678");
//print_list(l2);
print_Container(l2);
vector<string> v;
v.push_back("1111111111111");
v.push_back("1111111111111");
v.push_back("1111111111111");
v.push_back("1111111111111");
v.push_back("1111111111111");
print_Container(v);
}1.实现只能打印vector <int> 的函数
void print_list(const list<int>& l)
{
list<int>::const_iterator it = l.begin();//返回const迭代器
while (it != l.end())
{
//*it = 1;//const迭代器不能修改
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;
}2.实现可以打印 vector<T> 的函数。
之前讲class 和 typename 的不同之处在这里可以体现。
template<typename T>
void print_list(const list<T>& l)
{
//这里要加 typename
//list<T> 未实例化，编译器不能去他里面找
//不能判断const_iterator 是一个静态成员变量还是一个内嵌类型
//所以加一个typename 就是告诉编译器这里是一个类型，等它实例化了再去取，通过初步检查
typename list<T>::const_iterator it = l.begin();
while (it != l.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}3.实现可以打印所有容器的函数
template<typename Container>
void print_Container(const Container& con)
{
typename Container::const_iterator it = con.begin();
while (it != con.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
//模板（泛型编程）本质，本来应该由我们做的事情交给编译器去做2. list 反向迭代器的实现
通过前面例子知道，反向迭代器的++就是正向迭代器的--，反向迭代器的--就是正向迭代器的++，因此反向迭代器的实现可以借助正向迭代器，即：反向迭代器内部可以包含一个正向迭代器，对正向迭代器的接口进行包装即可。
template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{
// 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的类型，而不是静态成员变量
// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量
// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
public:
typedef typename Iterator::Ref Ref;
typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
public:
// 构造
ReverseListIterator(Iterator it)
: _it(it)
{}
// 具有指针类似行为
Ref operator*()
{
Iterator temp(_it);
--temp;
return *temp;
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
//
// 迭代器支持移动
Self& operator++()
{
--_it;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
Self temp(*this);
--_it;
return temp;
}
Self& operator--()
{
++_it;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
Self temp(*this);
++_it;
return temp;
}
// 迭代器支持比较
bool operator!=(const Self& l)const{ return _it != l._it;}
bool operator==(const Self& l)const{ return _it != l._it;}
Iterator _it;
};3.list 和 vector 的对比
vector与list都是STL中非常重要的序列式容器，由于两个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不同，其主要不同如下：
| vector | list | |
| 底 层 结 构 | 动态顺序表，一段连续空间 | 带头结点的双向循环链表 |
| 随 机 访 问 | 支持随机访问，访问某个元素效率O(1) | 不支持随机访问，访问某个元素 效率O(N) |
| 插 入 和 删 除 | 任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间复杂 度为O(N)，插入时有可能需要增容，增容：开辟新空 间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低 |
任意位置插入和删除效率高，不 需要搬移元素，时间复杂度为 O(1) |
| 空 间 利 用 率 | 底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利用率 高，缓存利用率高 |
底层节点动态开辟，小节点容易 造成内存碎片，空间利用率低， 缓存利用率低 |
| 迭 代 器 | 原生态指针 | 对原生态指针(节点指针)进行封装 |
| 迭 代 器 失 效 | 在插入元素时，要给所有的迭代器重新赋值，因为插入 元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，删 除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效 |
插入元素不会导致迭代器失效， 删除元素时，只会导致当前迭代 器失效，其他迭代器不受影响 |
| 使 用 场 景 | 需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率 | 大量插入和删除操作，不关心随 机访问 |
本篇结束！