【C++】list 模拟笔记

杰瑞的猫^_^2023-07-24 17:13

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list

list 和前面学习的 string 和 vector 稍有差别，list 存储空间是不连续的，不支持随机访问。list是一个双向带头循环链表，成员变量只有一个结点（Node）类型的指针 。在 C 语言部分，结点是个结构体，而在 C++ 中已经升级成为了类，可以实现自己的各种默认成员函数。这无疑成为了我们实现的难点。因为 list也是个类，其成员函数是 Node 类的指针，而且我们还要用模板来实现

定义结点类（list_node）

这里注意用 struct 定义结点(Node)类，因为 list 类要频繁使用 Node 类，友元太麻烦，下方迭代器类也是用 struct 定义，方便 list 频繁使用。我们定义的时候，随便把构造函数写一下，用 T() 空类型作缺省值，T 如果是内置类型 int ，就会用 0 初始化。类名不用 Node，因为库里别的容器也会用到结点类，且实现方式不一样，这里区分一下

库里定义的

自己实现的：

为什么封装迭代器为类 ？

在 sting 和 vector 里面，迭代器可以实现成原生指针，解引用变得到了 val 值 。而现在 list 的存储空间不连续，迭代器++是到下一个结点位置，我们中间解引用得到的是一个结点，而我们现在需要的是解引用能到得结点里面的 val 值 。对此我们不得不将迭代器封装成为一个类，通过重载 operator++ 和 operator * ，来实现迭代器的功能。

迭代器的成员变量只有一个就是 Node 类型的指针， 由于我们迭代器类需要结点类型的指针，于是我们 typedef 重命名一下 list_node 为 Node

库里面模板多参数的由来 ？

首先迭代器的类名不能直接是 iterator ，别的容器也有迭代器，这里定义成 _list_iterator 。我们一开始是这么定义普通对象的 iterator ，那么思考我们如何定义 const 迭代器？

typedef _list_iterator iterator;

假如我们向下面这样定义 const 迭代器，第一眼看好像没什么问题，但仔细一想，迭代器的成员变量是一个 Node 指针，这么定义是结点不能移动指向下一个位置，反而结点指向的内容可以被修改 。我们需要的是 operator * 解引用后，结点的 val 不能被修改，但是结点可以依然可以移动，指向下一个位置

typedef const _list_iterator const_iterator;

倘若我们像下面这样多定义一个 const 迭代器类 ，然后除了返回值不一样，其它照抄 _list_iterator 类来写的话，又会造成代码冗余

template
struct _list_const_iterator
{
......
}
typedef const _list_const_iterator const_iterator;

对此我们多加一个模板参数，T& ，对于普通对象用实例化为普通迭代器，const 对象就实例化为 const 迭代器，这样就解决了 operator * 函数返回值的问题，而库里面又重载了 operator-> 函数，返回值是 T *，有分普通和 const 对象，因此我们再增加一个模板参数 T *。在这里注意一下，operator-> 返回的是指针，假设我们有 list 迭代器 it ，且 T 类型为一个结构体。当我们要用迭代器访问结构体内的成员，我们就要这样写，it->->(结构体内的成员) ，第一个箭头调用 operator-> ，第二个指向结构体内的成员。但是编译器要求可读性，会优化为 it->(结构体内的成员)

typedef _list_iterator<T,T&> iterator;
typedef _list_iterator<T,const T&> const_iterator;
//普通迭代器
typedef _list_iterator<T,T&,T *> iterator;
//const迭代器
typedef _list_iterator<T,const T&,const T *> const_iterator

为什么普通迭代器不能隐式类型转换成const迭代器？

首先确保自己知道了 list 的大致实现原理。那么当我们自己实现一个 iterator 时，如果不加以注意，可能会发生如下情况：我们明明没有对权限进行放大，为什么编译器还会报错呢？

这是因为在泛型编程中，如果我们没有专门定义一个拷贝构造函数，那么默认的会以自己的类型为基准去考虑参数类型 。不要用 int 可以隐式转化成 const int 的思维去考虑类模板。虽然 iterator和const_iterator 在底层调用的都是同一个类模板，但是在实例化的时候，编译器会认为这是两个不同的类型！所以这里原因很清楚了，当我们定义一个const_iterator时，其默认拷贝构造的参数也是const_iterator。

所以这里原因很清楚了，当我们定义一个 const_iterator 时，其默认拷贝构造的参数也是 const_iterator 。因此，编译器才会报错说 iterator <int, int&, int *> 无法转化为 iterator <int, const int&, const int *> 。

解决方式也很简单，我们只需要在list_iterator 类中定义一个构造函数即可，参数为普通对象的迭代器类型，这样无论被拷贝对象时const迭代器还是普通迭代器都能调用这个函数，而且迭代器我们只需要完成浅拷贝，因为我们就是要指向同一块空间！！！

看看库里的：

迭代器位置指向及其返回值和整体代码

稍微注意一下，begin() 指向的是 _head 的下一个结点，而 end() 指向的是 _head 结点。增删查改中，由于 erase 函数删除结点会导致迭代器失效，因此需要更新返回新的迭代器，新的迭代器指向删除结点的下一个。 insert 函数的话也和 erase 函数保持一致返回迭代器，不过返回的是新插入的结点

cpp 复制代码 
#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>

namespace Me
{
	//定义结点
	template<class T>
	struct list_node
	{
		//定义为公有，让迭代器访问
		list_node<T>* _prev;
		list_node<T>* _next;
		T _val;
		//升级成为了类有自己的构造函数
		list_node(const T& val = T())
			: _prev(nullptr)
			,_next(nullptr)
			, _val(val)
		{}
	};

	//封装迭代器,定义为公有，让list访问
	template<class T,class Ref,class Ptr>
	struct _list_iterator
	{
		typedef list_node<T> Node;
		typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
		typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
		Node* _node;
		//升级成为了类有自己的构造函数
		_list_iterator(Node* node=nullptr)
			:_node(node)
		{}

		_list_iterator(const iterator&x)
			:_node(x._node)
		{}

		Ref operator*() const
		{
			return _node->_val;
		}

		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}
		self operator++(int)
		{
			//这里不用单独写拷贝构造，浅拷贝就行，按需求来分析
			self tmp(*this);
			_node = _node->_next;
			return tmp;
		}
		self& operator--() 
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}
		self operator--(int) 
		{
			//这里不用单独写拷贝构造，浅拷贝就行，按需求来分析
			_list_iterator<T> tmp(*this);
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}

		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_val;
		}

		bool operator!=(const self& it) const
		{
			return _node != it._node;
		}
		bool operator==(const self& it) const
		{
			return _node == it._node;
		}
	};

	//定义链表
	template<class T>
	class list//定义链表
	{
		typedef list_node<T> Node;

	public:
		//普通迭代器
		typedef _list_iterator<T,T&,T*> iterator;
		//const迭代器
		typedef _list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;

		//typedef const _list_iterator<T> const_iterator;
		// 这样设计const迭代器是不行的，因为const迭代器期望指向内容不能修改
		// 这样设计是迭代器本身不能修改

		iterator begin()
		{
			//return _head->_next;
			return iterator(_head->_next);
		}
		iterator end()
		{
			//左闭又开 _head不存储有效数据
			//return iterator(_head);
			return _head;
		}
		const_iterator begin() const
		{
			//return _head->_next;
			return const_iterator(_head->_next);
		}
		const_iterator end() const
		{
			//左闭又开 _head不存储有效数据
			//return iterator(_head);
			return _head;
		}
		//哨兵卫头结点初始化
		void empty_init()
		{
			_head = new Node;
			_head->_prev = _head;
			_head->_next = _head;
		}

		list()
		{
			empty_init();
		}
		list(list<T>& lt)
		{
			empty_init();
			//迭代拷贝
			for (auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}

		void swap(list<T> lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
		}
		//拷贝构造后交换
		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}

		//清理部分
		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
		}
		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

		void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(), x);
		}
		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 pop_front()
		{
			erase(begin());
		}
		void pop_back()
		{
			//assert(_head != _head->_next);
			//Node* tail = _head->_prev;
			//Node* tailP = tail->_prev;
			//tailP->_next = _head;
			//_head->_prev = tailP;
			//delete tail;
			erase(--end());
		}

		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			//调用结点的拷贝构造函数
			Node* newnode = new Node(x);

			//找插入的前一个结点
			Node* prev = pos._node->_prev;
			prev->_next = newnode;
			newnode->_prev = prev;

			newnode->_next = pos._node;
			pos._node->_prev = newnode;
			return newnode;
		}
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos._node != _head);
			assert(_head != _head->_next);
			Node* prev = pos._node->_prev;
			Node* next = pos._node->_next;
			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;

			delete pos._node;
			pos._node = nullptr;
			return next;
		}

		size_t size()
		{
			size_t sz = 0;
			for (auto& e : *this)
			{
				sz++;
			}
			return sz;
		}
		void print()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				cout << *it << " ";
				++it;
			}
			cout << endl;
		}
	private:
		Node* _head;//带哨兵我的头节点
	};
}
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