C++：list？自己模拟实现！

是个西兰花2023-11-13 0:34

目录

1.list的模拟实现

[1.1 成员变量和节点](#1.1 成员变量和节点)

[1.2 迭代器实现](#1.2 迭代器实现)

[1.2.1 非const的迭代器](#1.2.1 非const的迭代器)

[1.2.2 const的迭代器](#1.2.2 const的迭代器)

[1.2.3 一个模板实现 const 与 非const 迭代器](#1.2.3 一个模板实现 const 与 非const 迭代器)

[1.3 增删改查的实现](#1.3 增删改查的实现)

[1.4 拷贝构造函数，析构函数与赋值运算符重载](#1.4 拷贝构造函数，析构函数与赋值运算符重载)

[1.5 泛型编程实现打印](#1.5 泛型编程实现打印)

[2. list 反向迭代器的实现](#2. list 反向迭代器的实现)

[3.list 和 vector 的对比](#3.list 和 vector 的对比)

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。

cpp 复制代码 
    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. * ->
  3. != / ==

1.2.1 非const的迭代器

cpp 复制代码 
	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。

cpp 复制代码 
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。

cpp 复制代码 
//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：

cpp 复制代码 
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。

cpp 复制代码 
        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。

cpp 复制代码 
        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。

cpp 复制代码 
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

cpp 复制代码 
	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。

cpp 复制代码 
    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

cpp 复制代码 
    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。

cpp 复制代码 
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！

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