【C++】STL——list的模拟实现、构造函数、迭代器类的实现、运算符重载、增删查改

鳄鱼麻薯球2023-08-06 23:42

文章目录

1.模拟实现list

list使用文章

1.1构造函数

析构函数

在定义了一个类模板list时。我们让该类模板包含了一个内部结构体_list_node，用于表示链表的节点。该结构体包含了指向前一个节点和后一个节点的指针以及节点的值。在list中保存了链表的头节点指针和链表长度大小。

cpp 复制代码 
namespace my_list
{	
	//用类模板定义一个list结点
	template<class T>
	struct _list_node
	{
		//list结点的构造函数，T()作为缺省值，当未转参时调用
		_list_node(const T& val = T())
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _val(val)
		{}

		//list_node的成员函数，list为带头双向循环链表
		_list_node* _prev;
		_list_node* _next;
		T _val;
	};
	
	//用类模拟实现list
	template<class T>
	class list
	{
	private:
		typedef _list_node<T> Node;
		
	public:
		//list的构造函数，初始化头节点指针
		list()
		{
			_head = new Node;
			_head->_prev = _head;
			_head->_next = _head;

			_size = 0;
		}

		//析构函数
		~list()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}

			_size = 0;

			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

	private:
		//成员函数为list的头节点指针,和链表长度
		Node* _head;
		size_t _size;
	};
}

1.2迭代器类的实现


因为list的底层实现和之前的vector和string不同，vector和string是数组和顺序表，而list底层是链表。而对于数组和顺序表，我们可以直接使用指针来实现其迭代器，但是对于list类型就无法使用指针来实现它的迭代器，因为迭代器++无法访问到他的下一个节点。所以我们这里建立一个迭代器的结构体，用来封装node指针，来实现list的专属迭代器

这段代码定义了一个名为__list_iterator的迭代器结构体，用于遍历链表。该结构体模板有三个模板参数：T表示链表中节点的数据类型，Ref表示引用类型T&，Ptr表示指针类型 T* _node：指向链表节点的指针。构造函数__list_iterator(Node* node)：用于初始化迭代器对象，将指针node赋值给_node。通过_node就可以实现各种操作符重载。

定义了一个迭代器结构体，用于在链表中进行遍历和操作。通过重载运算符，可以使用迭代器对象像指针一样访问链表中的元素。

cpp 复制代码 
//使用类进行封装Node*，来实现list的专属迭代器
//list迭代器和一些内置类型迭代器不一样，++无法准确访问到下一个位置
//typedef __list_iterator<T, T&> iterator;
//typedef __list_iterator<T, const T&> iterator;
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
	typedef _list_node<T> Node;
	typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
	Node* _node;

	//迭代器的构造函数
	__list_iterator(Node* node)
		:_node(node)
	{}

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

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

	//重载前置++
	self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}

	//重载后置++
	self operator++(int)
	{
		__list_iterator<T> tmp(*this);

		_node = _node->_next;

		return tmp;
	}

	//重载前置--
	self& operator--()
	{
		_node = _node->_prev;
		return *this;
	}

	//重载后置--
	self operator--(int)
	{
		self tmp(*this);

		_node = _node->_prev;

		return tmp;
	}

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

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

通过建立一个新的结构体来重载迭代器，我们即可实现list专属迭代器对其链表进行++、- -等操作。

cpp 复制代码 
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

//list迭代器实现
iterator begin()
{
	//隐式类型转换，内置类型转换为自定义类型，实现迭代器功能
	//return _head->_next;
	return iterator(_head->_next);
}

iterator end()
{
	//return _head;
	return iterator(_head);
}

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

const_iterator end() const
{
	//return _head;
	return const_iterator(_head);
}

1.3运算符重载

迭代器的运算符重载在上面的代码中，已经都基本实现了。

赋值运算符重载函数operator=首先创建了一个临时的链表对象lt，并将传入的链表对象的副本赋值给lt。然后，调用swap函数，将当前链表对象和临时链表对象进行交换。这样做的原因是为了实现异常安全的赋值操作。通过将传入的链表对象的副本赋值给临时链表对象，可以确保在交换过程中不会影响到传入的链表对象。 最后，返回当前链表对象的引用。

通过这样的实现逻辑，可以实现链表对象之间的赋值操作，并且保证在异常发生时不会破坏数据的完整性。

cpp 复制代码 
//交换
void swap(list<T>& lt)
{
	std::swap(_head, lt._head);
	std::swap(_size, lt._size);
}

//赋值运算符重载
list<T>& operator=(list<T> lt)
	//list& operator=(list lt)
{
	swap(lt);

	return *this;
}

1.4增删查改

push_back

和带头双向循环链表的尾插一样。首先，创建一个新的链表节点newnode，节点的值为传入的参数x。然后，获取到链表的尾指针tail，即头节点的前一个节点。

接着，将新节点newnode插入到链表的尾部。首先，将新节点的前驱指针指向尾节点tail，将尾节点的后继指针指向新节点。这样就将新节点连接到了链表的尾部。

然后，将新节点的后继指针指向头节点，将头节点的前驱指针指向新节点。这样就将新节点连接到了链表的头部。

cpp 复制代码 
//尾插
void push_back(const T& x)
{
	//创建一个新的链表结点，且获取到链表的尾指针
	Node* newnode = new Node(x);
	Node* tail = _head->_prev;

	//连接尾结点
	newnode->_prev = tail;
	tail->_next = newnode;

	//连接头节点
	_head->_prev = newnode;
	newnode->_next = _head;

	++_size;
}

insert

和上面的逻辑类似。

cpp 复制代码 
//在pos位置之前插入
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	Node* cur = pos._node;
	Node* prev = cur->_prev;
	Node* newnode = new Node(x);

	prev->_next = newnode;
	newnode->_next = cur;

	cur->_prev = newnode;
	newnode->_prev = prev;

	++_size;

	return newnode;
}

erase

首先，通过断言判断传入的迭代器pos不等于链表的末尾迭代器。如果等于末尾迭代器，表示要删除的节点不存在，会导致错误。然后，根据传入的迭代器pos获取到要删除的节点cur，以及其前驱节点prev和后继节点next。

接着，将前驱节点的后继指针指向后继节点，将后继节点的前驱指针指向前驱节点。这样就将要删除的节点从链表中断开。然后，释放要删除的节点的内存。还要将链表的大小减1。

为了避免迭代器失效，返回下一个节点的指针作为新的迭代器。这样可以保证在删除节点后，仍然可以使用返回的迭代器进行遍历和操作。

cpp 复制代码 
//删除
iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos != end());

	Node* cur = pos._node;
	Node* prev = cur->_prev;
	Node* next = cur->_next;

	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;

	delete cur;

	--_size;

	//为了避免迭代器失效，返回下一个结点指针
	return next;
}

完整实现

cpp 复制代码 
#pragma once

#include<assert.h>

namespace my_list
{	
	//用类模板定义一个list结点
	template<class T>
	struct _list_node
	{
		//list结点的构造函数，T()作为缺省值，当未转参时调用
		_list_node(const T& val = T())
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _val(val)
		{}

		//list_node的成员函数，list为带头双向循环链表
		_list_node* _prev;
		_list_node* _next;
		T _val;
	};

	//使用类进行封装Node*，来实现list的专属迭代器
	//list迭代器和一些内置类型迭代器不一样，++无法准确访问到下一个位置
	//typedef __list_iterator<T, T&> iterator;
	//typedef __list_iterator<T, const T&> iterator;
	template<class T, class Ref, class Ptr>
	struct __list_iterator
	{
		typedef _list_node<T> Node;
		typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
		Node* _node;

		//迭代器的构造函数
		__list_iterator(Node* node)
			:_node(node)
		{}

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

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

		//重载前置++
		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		//重载后置++
		self operator++(int)
		{
			__list_iterator<T> tmp(*this);

			_node = _node->_next;

			return tmp;
		}

		//重载前置--
		self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		//重载后置--
		self operator--(int)
		{
			self tmp(*this);

			_node = _node->_prev;

			return tmp;
		}

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

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

	//实现const类型迭代器
	/*template<class T>
	struct __list_const_iterator
	{
		typedef list_node<T> Node;
		Node* _node;

		__list_const_iterator(Node* node)
			:_node(node)
		{}

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

		__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;
		}

		bool operator!=(const __list_const_iterator<T>& it)
		{
			return _node != it._node;
		}

		bool operator==(const __list_const_iterator<T>& it)
		{
			return _node == it._node;
		}
	};*/

	//用类模拟实现list
	template<class T>
	class list
	{
	private:
		typedef _list_node<T> Node;
		
	public:
		typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

		//list迭代器实现
		iterator begin()
		{
			//隐式类型转换，内置类型转换为自定义类型，实现迭代器功能
			//return _head->_next;
			return iterator(_head->_next);
		}

		iterator end()
		{
			//return _head;
			return iterator(_head);
		}

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

		const_iterator end() const
		{
			//return _head;
			return const_iterator(_head);
		}

		//初始化
		void empty_init()
		{
			_head = new Node;
			_head->_prev = _head;
			_head->_next = _head;

			_size = 0;
		}

		//list的构造函数，初始化头节点指针
		list()
		{
			empty_init();
		}

		//拷贝构造
		list(const list<T>& lt)
			//list(const list& lt)
		{
			empty_init();

			for (auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}

		//交换
		void swap(list<T>& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
			std::swap(_size, lt._size);
		}

		//赋值运算符重载
		list<T>& operator=(list<T> lt)
			//list& operator=(list lt)
		{
			swap(lt);

			return *this;
		}

		//析构函数
		~list()
		{
			clear();

			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

		//清理
		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}

			_size = 0;
		}

		//尾插
		void push_back(const T& x)
		{
			//创建一个新的链表结点，且获取到链表的尾指针
			Node* newnode = new Node(x);
			Node* tail = _head->_prev;

			//连接尾结点
			newnode->_prev = tail;
			tail->_next = newnode;

			//连接头节点
			_head->_prev = newnode;
			newnode->_next = _head;

			++_size;

			//insert(end(), x);
		}

		//头插
		void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(), x);
		}

		//尾删
		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}

		//头删
		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}

		//在pos位置之前插入
		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* newnode = new Node(x);

			prev->_next = newnode;
			newnode->_next = cur;

			cur->_prev = newnode;
			newnode->_prev = prev;

			++_size;

			return newnode;
		}

		//删除
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());

			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* next = cur->_next;

			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;

			delete cur;

			--_size;

			//为了避免迭代器失效，返回下一个结点指针
			return next;
		}

		//返回size
		size_t size()
		{
			/*size_t sz = 0;
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				++sz;
				++it;
			}

			return sz;*/

			return _size;
		}

	private:
		//成员函数为list的头节点指针,和链表长度
		Node* _head;
		size_t _size;
	};

	//打印函数
	void print(const list<int>& lt)
	{
		list<int>::const_iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			// (*it) += 1;
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}
}

测试代码

cpp 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include<iostream>
#include<list>
using namespace std;

#include"list.h"

void test_list1()
{
	//list<int> lt;
	//lt.push_back(1);
	//lt.push_back(2);
	//lt.push_back(3);
	//lt.push_back(4);
	//for (auto e : lt)
	//{
	//	cout << e << " ";
	//}
	//cout << endl;

	my_list::list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);
	
	my_list::list<int>::iterator it = lt.begin();

	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	auto itt = lt.begin();

	while (itt != lt.end())
	{
		++(*itt);
		++itt;
	}

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

struct A
{
	A(int a1 = 0, int a2 = 0)
		:_a1(a1)
		, _a2(a2)
	{}

	int _a1;
	int _a2;
};

void test_list2()
{
	my_list::list<A> lt;
	lt.push_back(A(1, 1));
	lt.push_back(A(2, 2));
	lt.push_back(A(3, 3));
	lt.push_back(A(4, 4));

	auto it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		//cout << *(it)._a1 << " " << *(it)._a2 <<endl;
		cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;
		++it;
	}
	cout << endl;
}

void test_list3()
{
	my_list::list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);
	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	lt.push_front(5);
	lt.push_front(6);

	print(lt);

	lt.pop_front();
	lt.pop_back();

	print(lt);

	lt.clear();
	lt.push_back(10);
	lt.push_back(20);
	lt.push_back(30);
	lt.push_back(40);

	print(lt);

	cout << lt.size() << endl;
	
}


int main()
{
	//test_list1();
	//test_list2();
	test_list3();
	return 0;
}
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