【C++初阶】模拟实现list

Weraphael2023-08-28 0:37

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目录

  • 一、简单剖析list源码
  • 二、准备工作
  • 三、模拟实现list常见操作
      • [3.1 默认构造函数](#3.1 默认构造函数)
      • [3.2 push_back - 尾插](#3.2 push_back - 尾插)
      • [3.3 迭代器（重点）](#3.3 迭代器（重点）)
      • [3.4 const的迭代器（重点）](#3.4 const的迭代器（重点）)
      • [3.5 insert - 插入](#3.5 insert - 插入)
      • [3.6 erase - 删除](#3.6 erase - 删除)
      • [3.7 头插 - push_front](#3.7 头插 - push_front)
      • [3.8 尾删 - pop_back](#3.8 尾删 - pop_back)
      • [3.9 头删 - pop_front](#3.9 头删 - pop_front)
      • [3.10 个数 - size](#3.10 个数 - size)
      • [3.11 析构](#3.11 析构)
      • [3.12 清空 - clear](#3.12 清空 - clear)
      • [3.13 拷贝构造](#3.13 拷贝构造)
      • [3.14 交换](#3.14 交换)
      • [3.15 赋值运算符重载](#3.15 赋值运算符重载)
  • 四、源码

一、简单剖析list源码

在模拟vector容量讲过，要想快速了解STL源码，首先要看成员变量：

node从名字上猜测是一个节点，其类型是list_node。然后我发现list_node也是重命名出来的：

而__list_node<T>又是什么东西呢？如下所示：

显然这是一个双向链表 ，并且__list_node是用来定义结点的

接下来就应该分析构造函数：

get_node从名字上是得到结点，那么应该是开辟空间的。我们可以简单看看：

空间配置器讲起来有点麻烦，直接使用new和delete也是够用的

然后node的next和prev都指向自己。因此list的底层是一个带头(哨兵位)双向循环链表 ，因此list的成员变量应该是哨兵位结点。

大致结构我们已经知道了，不妨再来看看插入操作：

这和以往学习过的双向循环链表很相似，无非就是创造新的结点，然后再把它们链接起来。

大致内容已经了解了，直接开始实现吧~

二、准备工作

为了方便管理代码，分两个文件来写：

  • Test.cpp - 测试代码逻辑
  • list.h - 模拟实现list

三、模拟实现list常见操作

3.1 默认构造函数

cpp 复制代码 
namespace wj
{
	template<class T>
	struct list_node // 定义结点
	{
		list_node<T>* _next; 
		list_node<T>* _prev;
		T _val;
	};

	template<class T>
	class list
	{
	public:
		list()
		{
			// 为哨兵位头结点开空间
			_head = new list_node<T>;
			// 自己指向自己
			_head->_prev = _head;
			_head->_next = _head;
		}
	private:
		list_node<T> _head; // 哨兵位（不存储有效数据）
	};
}

定义结点的成员变量最好是公有的，方便类外可以随时访问。注意：此处的struct可不是C语言的结构体，在C++中已经升级成了类，并且默认成员都是公有的。当然使用class也是没问题的，只是要加上public。

以上代码还能简化，我们知道类模板和普通类是不同的，普通类的类名即是类型，而类模板的类名是类名<T>。而有许多人会很容易忘记加上<T>，因此我们可以对list_node<T>进行重命名typedef：

cpp 复制代码 
namespace wj
{
	template<class T>
	struct list_node // 定义结点
	{
		list_node<T>* _next; 
		list_node<T>* _prev;
		T _val;
	};

	template<class T>
	class list
	{
		typedef list_node<T> Node;
	public:
		list()
		{
			// 为哨兵位头结点开空间
			_head = new Node;
			// 自己指向自己
			_head->_prev = _head;
			_head->_next = _head;
		}
	private:
		list_node<T> _head; // 哨兵位（不存储有效数据）
	};
}
  • 为了防止与库的list冲突，要重新写一个命名空间域wj
  • typedef在类中是有讲究的。如果typedef放在public段中，则可以在类外部使用；而如果放在private段中，则只能在类内使用。注意：上述代码是只能在类中使用！

3.2 push_back - 尾插

cpp 复制代码 
void push_back(const T& val)
{
	//1. 找尾（哨兵位的prev）
	Node* tail = _head->_prev;
	// 2. 开辟一个新节点
	Node* newnode = new Node(val); 
	// 3. 链接 _head tail newnode
	tail->_next = newnode;
	newnode->_prev = tail;
	newnode->_next = _head;
	_head->_prev = newnode;
}

尾插就容易多了，下面有图帮助大家理解：

注意：new对于自定义类型除了开空间，还会调用构造函数 。初始化_val

cpp 复制代码 
struct list_node // 结点的定义
{
	list_node<T>* _next;
	list_node<T>* _prev;
	T _val; 

	list_node(const T& val = T())
		:_next(nullptr)
		, _prev(nullptr)
		, _val(val)
	{}
};

缺省值给T()相信看过模拟实现vector都不陌生。不能直接给0，这样就写死能，只能int类型适用，对于string就不行了。因此可以给个匿名对象，它会调用T类型的默认构造。内置类型也是有默认构造的：

3.3 迭代器（重点）

能否定义类似像vector的迭代器？如下所示：

cpp 复制代码 
typedef Node* iterator;

答案当然不行！list不能像vector一样以原生指针（普通指针）作为迭代器。

vector类似于数组，数据在内存中是连续存储的。对迭代器(指针)++，就可以跳过一个对象的大小，并且解引用也能得到对应的数据；然而，list的节点不能保证一定在内存空间中连续存在，导致++/--不一定能找到下一个节点，并且对其解引用得到的是结点而不是有效数据。

那问题来了，如何定义list的迭代器呢？

我们可以封装一个类，然后用重载运算符去改变指针的行为。为什么可以这样呢？原因是：内置类型的++是行为规定的，但是自定义类型的++是自己说的算。可以联想以往实现的日期类->点击跳转

cpp 复制代码 
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
	cout << *it << ' ';
	++it;
}

我们可以对照以上代码一步一步实现迭代器

  • begin() + end()

在这个类中，只需要一个结点类的指针成员变量，用于指向list某一个结点， 在一开始定义迭代器时，需要一个构造函数，用于迭代器的初始化。注意：begin和end需要定义在list类中，因为它们本身就是list内置的接口函数

cpp 复制代码 
// 封装一个类实现迭代器
template<class T>
struct __list_iterator 
{
	typedef list_node<T> Node;
	Node* _node; //指向某个节点的指针

	// 迭代器的初始化
	__list_iterator(Node* node) 
		:_node(node)
	{}
};

template<class T>
class list
{
	typedef list_node<T> Node;
public:
	typedef __list_iterator<T> iterator; 

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

	iterator end()
	{
		return _head;
		//return iterator(_head);
	}
private:
	Node* _head;
};

这里还有一个知识点，begin和end返回类型为迭代器，怎么能返回结点的指针呢？--- 这是因为单参数的构造函数支持隐式类型转换。

  • !=、 == 、 * 、++、 --

封装一个类，然后用重载运算符去改变指针的行为

cpp 复制代码 
// 封装一个类实现迭代器
template<class T>
struct __list_iterator 
{
	typedef list_node<T> Node;
	typedef __list_iterator<T> self;
	
	Node* _node; //指向某个节点的指针

	__list_iterator(Node* node) // 迭代器的初始化
		:_node(node)
	{}
/
	// 用结点的指针比
	bool operator!=(const self& it) const
	{
		return _node != it._node;
	}

	bool operator==(const self& it) const
	{
		return _node == it._node;
	}
/
	T& operator*()
	{
		// 出了作用域，结点还在，引用返回
		return _node->_val;
	}
/
	// 迭代器++返回的还是迭代器
	self& operator++() //前置
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}

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

	self operator--(int) // 后置
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_prev;
		return tmp;
	}

	self operator++(int) // 后置
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_next;
		return tmp;
	}
};

前置++和后置++会发生一个问题：函数名会相同。因此，C++规定：后置(++/--)重载时多增加一个int类型的参数，但调用函数时该参数不用传递。

3.4 const的迭代器（重点）

现在又有一个问题，const的迭代器也能否像类似于vector一样设计？如下所示：

答案当然是不可以的！这是因为 const迭代器要求的是迭代器指向的内容不可以被修改 ，而对一个类加上一个const，这是让这个类对象无法被修改啊。也就是类的成员变量都不可以被修改，这样一来，这个迭代器里面的指针无法移动了。（const的迭代器指针是可以移动的，但是指向的内容不可被修改）

那么const的迭代器该如何设计呢？我们知道，list迭代器输出数据是依靠解引用的，因此可以在返回值加上const

cpp 复制代码 
template<class T>
struct __list_iterator
{
	typedef list_node<T> Node;
	typedef __list_iterator<T> self

	Node* _node; //指向某个节点的指针

	__list_iterator(Node* node) // 迭代器的初始化
		:_node(node)
	{}
	
	// 用结点的指针比
	bool operator!=(const self& it) const
	{
		return _node != it._node;
	}

	bool operator==(const self& it) const
	{
		return _node == it._node;
	}
	
	T& operator*()
	{
		// 出了作用域，结点还在，引用返回
		return _node->_val;
	}
	
	// 迭代器++返回的还是迭代器
	self& operator++() //前置
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}

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

	self operator--(int) // 后置
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_prev;
		return tmp;
	}

	self operator++(int) // 后置
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_next;
		return tmp;
	}
};

template<class T>
struct __list_iterator
{
	typedef list_node<T> Node;
	typedef __list_iterator<T> self;

	Node* _node; //指向某个节点的指针

	__list_iterator(Node* node) // 迭代器的初始化
		:_node(node)
	{}

	// 用结点的指针比
	bool operator!=(const self& it) const
	{
		return _node != it._node;
	}

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

	const T& operator*()
	{
		// 出了作用域，结点还在，引用返回
		return _node->_val;
	}

	// 迭代器++返回的还是迭代器
	self& operator++() //前置
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}

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

	self operator--(int) // 后置
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_prev;
		return tmp;
	}

	self operator++(int) // 后置
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_next;
		return tmp;
	}
};

但以上代码显得有点冗余，只有两个函数的返回值不一样，其它都是一样的。那还有什么别的设计方法呢？

注意：上面两个函数只要返回值的类型不一样，因此可以通过一个类型来控制返回值 -> 即增加一个模板参数（库里也是这么实现的~）

cpp 复制代码 
// 封装一个类实现迭代器
template<class T, class Ref> // 增加一个模板参数
struct __list_iterator
{
	typedef list_node<T> Node;
	typedef __list_iterator<T, Ref> self;

	Node* _node; //指向某个节点的指针

	__list_iterator(Node* node) // 迭代器的初始化
		:_node(node)
	{}
	
	Ref operator*()
	{
		return _node->_val;
	}
}

template<class T>
class list
{
	typedef list_node<T> Node;
public:
	typedef __list_iterator<T, T&> iterator;
	typedef __list_iterator<T, const T&> const_iterator;

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

	const_iterator end() const
	{
		return _head;
	}

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

	iterator end()
	{
		return _head;
	}
private:
	list_node<T> _head; // 哨兵位（不存储有效数据）
};

补充：除了重载*运算符，当然也要重载->操作符

cpp 复制代码 
T* operator->() 
{
	return &_node->_val;
}

那什么时候会用到->操作符呢？下面有个例子：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include "list.h"
using namespace std;

struct A
{
	A(int a = 0)
		:_a(a)
	{}
	int _a;
};
int main()
{
	wj::list<A> lt;
	lt.push_back(A(1));
	lt.push_back(A(2));
	lt.push_back(A(3));
	lt.push_back(A(4));
	lt.push_back(A(5));

	wj::list<A>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << it->_a << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;
}

【输出结果】

有没有发现operator->非常怪，首先我们这个运算符重载返回的是什么呢？是T*，也就是A*，也就是说它还需要一次->才能打印_a。严格来说，it->->_a，才是符合语法的。那么这里为什么还能编译通过呢？因为运算符重载要求可读性，那么编译器特殊处理，省略了一个->

但是以上代码还是不够完善，由于->只针对普通对象，如果是const对象，其返回值应该是const T*，这个问题就和运算符重载*类似了，再增加一个模板参数，因此完整代码如下：

cpp 复制代码 
template<class T, class Ref, class ptr>
struct __list_iterator // 迭代器
{
	typedef list_node<T> Node;
	typedef __list_iterator<T, Ref, ptr> self;
	Node* _node; //指向某个节点的指针

	__list_iterator(Node* node) // 迭代器的初始化
		:_node(node)
	{}

	Ref operator*()
	{
		return _node->_val;// 出了作用域，结点还在，要加&
	}

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

template<class T> // 为list提供
class list
{
	typedef list_node<T> Node; 
public:
	typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator; 
	typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator; 

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

	iterator end()
	{
		// return iterator(_head);
		return _head;
	}
private:
	Node* _head; // 哨兵位（不存储有效数据）
};

3.5 insert - 插入

cpp 复制代码 
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	// pos 不需要检查  
	// 假设在node前插入
	// head newnode node tail
	// 步骤如下
	
	// 1. 开辟新的结点
	Node* newnode = new Node(x);
	// 2. 找到要删除的结点node
	Node* cur = pos._node;
	// 3. 以及node的前一个节点
	Node* prev = cur->_prev;
	// 4. 链接
	prev->_next = newnode;
	newnode->_next = cur;
	cur->_prev = newnode;
	newnode->_prev = prev;

	return newnode;// 返回新插入元素的位置
}

3.6 erase - 删除

cpp 复制代码 
iterator erase(iterator pos)
{
	// 检查pos的有效性
	assert(pos != end());
	
	// 1.分别找到pos的前一个节点和后一个节点
	Node* cur = pos._node;
	Node* prev = cur->_prev;
	Node* next = cur->_next;
	// 2, 链接
	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;
	// 3. 删除
	delete cur;
	
	// 注意:list的erase会有迭代器失效问题
	// 返回删除元素的下一个位置
	return next;
}

3.7 头插 - push_front

复用insert

cpp 复制代码 
void push_front(const T& val)
{
	insert(begin(), val);
}

3.8 尾删 - pop_back

复用erase

cpp 复制代码 
void pop_back()
{
	erase(--end());
}

3.9 头删 - pop_front

cpp 复制代码 
void pop_front()
{
	erase(begin());
}

3.10 个数 - size

遍历即可

cpp 复制代码 
size_t size()
{
	size_t count = 0;
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		++count;
		++it;
	}
	return count;
}

或者还可以在成员变量中定义size_t _size，每次插入数据++，以及删除数据--即可

3.11 析构

cpp 复制代码 
~list()
{
	clear();
	delete _head;
	_head = nullptr;
}

3.12 清空 - clear

cpp 复制代码 
void clear()
{
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		it = erase(it);
	}
}

3.13 拷贝构造

cpp 复制代码 
list(const list<T>& it)
{
	_head = new Node;
	_head->_prev = _head;
	_head->_next = _head;

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

3.14 交换

cpp 复制代码 
void swap(list<T> it)
{
	std::swap(_head, it._head);
	std::swap(this->size(), it._size());
}

3.15 赋值运算符重载

cpp 复制代码 
list<T>& operator=(const list<T> it)
{
	swap(it);
	return *this;
}

四、源码

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

namespace wj
{
	template<class T> 
	struct list_node 
	{
		list_node<T>* _next;
		list_node<T>* _prev;
		T _val; 

		list_node(const T& val = T())
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _val(val)
		{}
	};

	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) 
			:_node(node)
		{}

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

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

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

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

		self& operator--(int)
		{
			self tmp(*this);
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}

		self operator++(int)
		{
			self tmp(*this);
			_node = _node->_next;
			return tmp;
		}

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

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


	template<class T> 
	class list
	{
		typedef list_node<T> Node; 
	public:
		typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator; 
		typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator; 

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

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

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

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

		list()
		{
			_head = new Node;
			_head->_prev = _head;
			_head->_next = _head;

			_size = 0;
		}

		list(const list<T>& it)
		{
			_head = new Node;
			_head->_prev = _head;
			_head->_next = _head;
			_size = 0;

			for (auto& x : it)
			{
				push_back(x);
			}
		}

		void push_back(const T& val)
		{
			Node* tail = _head->_prev;
			Node* newnode = new Node(val);
			tail->_next = newnode;
			newnode->_prev = tail;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;
			_size++;
		}

		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;
		}

		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--;

			return next;
		}

		void push_front(const T& val)
		{
			insert(begin(), val);
		}

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

		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}
		
		size_t size()
		{
			/*size_t count = 0;
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				++count;
				++it;
			}
			return count;*/
			return _size;
		}

		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
			_size = 0;
		}

		void swap(list<T> it)
		{
			std::swap(_head, it._head);
			std::swap(_size, it._size);
		}

		list<T>& operator=(const list<T> it)
		{
			swap(it);
			return *this;
		}

	private:
		Node* _head; 
		size_t _size;
	};
}

测试代码

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;
#include "list.h"

int main()
{
	// 默认构造
	wj::list<int> ll;
	// 尾插测试
	ll.push_back(1);
	ll.push_back(2);
	ll.push_back(3);
	ll.push_back(4);

	// 迭代器测试
	wj::list<int>::iterator it = ll.begin();
	while (it != ll.end())
	{
		cout << *it << ' ';
		it++;
	}
	cout << endl;
	
	// 范围for（底层迭代器）
	for (auto& x : ll)
	{
		cout << x << ' ';
	}
	cout << endl;

	// insert测试
	// 在3的前面插入30
	it = ll.begin();
	for (int i = 0; i < 2; i++)
	{
		it++;
	}
	ll.insert(it, 30);
	for (auto& x : ll)
	{
		cout << x << ' ';
	}
	cout << endl;

	//  erase测试
	it = ll.begin();
	// 删除30
	for (int i = 0; i < 2; i++)
	{
		it++;
	}
	ll.erase(it);
	for (auto x : ll)
	{
		cout << x << ' ';
	}
	cout << endl;

	// 头插测试
	// 头插100
	ll.push_front(100);
	for (auto x : ll)
	{
		cout << x << ' ';
	}
	cout << endl;
	
	// 尾删测试
	ll.pop_back(); // 100 1 2 3
	for (auto x : ll)
	{
		cout << x << ' ';
	}
	cout << endl;

	// 头删测试
	ll.pop_front(); // 1 2 3
	for (auto x : ll)
	{
		cout << x << ' ';
	}
	cout << endl;

	// size测试
	cout << "个数为：" << ll.size() << endl; // 3

	// 清空
	ll.clear();
	for (auto x : ll)
	{
		cout << x << ' '; // 无输出
	}
	cout << endl;

	// 拷贝构造
	ll.push_back(1);
	ll.push_back(2);
	ll.push_back(3);
	ll.push_back(4);
	ll.push_back(5);

	wj::list<int> lll(ll);
	for (auto x : lll)
	{
		cout << x << ' '; // 1 2 3 4 5
	}
	cout << endl;

	// 赋值运算符重载
	wj::list<char> a;
	a.push_back('a');
	wj::list<char> b;
	b.push_back('b');
	b.push_back('b');
	b.push_back('b');

	a = b;

	for (auto x : a)
	{
		cout << x << ' ';
	}
	cout << endl;

	// 交换
	wj::list<char> c;
	a.push_back('c');
	wj::list<char> d;
	b.push_back('d');
	b.push_back('d');
	b.push_back('d');
	d.swap(c);
	for (auto x : c)
	{
		cout << x << ' ';
	}
	cout << endl;

	for (auto x : d)
	{
		cout << x << ' ';
	}
	cout << endl;

	return 0;
}
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