【C++历练之路】list的重要接口||底层逻辑的三个封装以及模拟实现

W…Y2023-11-20 23:52

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🍔前言：

在C++的世界中，有一种数据结构，它不仅像一个神奇的瑰宝匣，还像一位能够在数据的海洋中航行的智慧舵手。这就是C++中的list，一个引人入胜的工具，它以一种优雅而强大的方式管理着数据的舞台。想象一下，你有一个能够轻松操纵、轻松操作的魔法列表，让你的编程之旅变得轻松而令人愉悦。让我们一同揭开list的神秘面纱，深入探索这个双向链表的奇妙世界。

目录

list的介绍及使用

list的介绍

list的使用

list的构造

[list iterator的使用](#list iterator的使用)

[list capacity](#list capacity)

[list element access](#list element access)

[list modifiers](#list modifiers)

list的模拟实现

模拟实现list的准备

封装节点------第一个封装

创建list类------第二个封装

push_back函数模拟

创建迭代器类------第三个封装

begin与end函数模拟

insert函数模拟实现

erase函数模拟实现

clear函数以及析构函数的实现

其余函数接口的实现

list的介绍及使用

list的介绍

  1. list是可以在常数范围内在任意位置进行插入和删除的序列式容器，并且该容器可以前后双向迭代。

  2. list的底层是双向链表结构，双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中，在节点中通过指针指向其前一个元素和后一个元素。

  3. list与forward_list非常相似：最主要的不同在于forward_list是单链表，只能朝前迭代，已让其更简单高效。

  4. 与其他的序列式容器相比(array，vector，deque)，list通常在任意位置进行插入、移除元素的执行效率更好。

  5. 与其他序列式容器相比，list和forward_list最大的缺陷是不支持任意位置的随机访问，比如：要访问list的第6个元素，必须从已知的位置(比如头部或者尾部)迭代到该位置，在这段位置上迭代需要线性的时间开销；list还需要一些额外的空间，以保存每个节点的相关联信息(对于存储类型较小元素的大list来说这可能是一个重要的因素)

list的文档介绍 https://legacy.cplusplus.com/reference/list/list/

list的使用

list中的接口比较多，此处类似，只需要掌握如何正确的使用，然后再去深入研究背后的原理，已达到可扩展的能力。以下为list中一些常见的重要接口。

list的构造

|---------------------------------------------------------------|---------------------------------|
| 构造函数（ (constructor)） | 接口说明 |
| list (size_type n, const value_type& val = value_type()) | 构造的list中包含n个值为val的元素 |
| list() | 构造空的list |
| list (const list& x) | 拷贝构造函数 |
| list (InputIterator first, InputIterator last) | 用[first, last)区间中的元素构造list |

cpp 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

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



// list的构造
void TestList1()
{
    list<int> l1;                         // 构造空的l1
    list<int> l2(4, 100);                 // l2中放4个值为100的元素
    list<int> l3(l2.begin(), l2.end());  // 用l2的[begin(), end()）左闭右开的区间构造l3
    list<int> l4(l3);                    // 用l3拷贝构造l4

    // 以数组为迭代器区间构造l5
    int array[] = { 16,2,77,29 };
    list<int> l5(array, array + sizeof(array) / sizeof(int));

    // 列表格式初始化C++11
    list<int> l6{ 1,2,3,4,5 };
// 用迭代器方式打印l5中的元素
    list<int>::iterator it = l5.begin();
    while (it != l5.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }       
    cout << endl;

    // C++11范围for的方式遍历
    for (auto& e : l5)
        cout << e << " ";

    cout << endl;
}

list的构造与STL中vector、string构造大同小异，都是有构造空对象，构造的list中包含n个值为val的元素，拷贝构造以及迭代器构造。

list iterator的使用

此处，大家可暂时将迭代器理解成一个指针，该指针指向list中的某个节点。

|-----------------|-----------------------------------------------------------------------------|
| 函数声明 | 接口说明 |
| begin+end | 返回第一个元素的迭代器+返回最后一个元素下一个位置的迭代器 |
| rbegin+rend | 返回第一个元素的reverse_iterator,即end位置，返回最后一个元素下一个位置的reverse_iterator,即begin位置 |

cpp 复制代码 
// list迭代器的使用
// 注意：遍历链表只能用迭代器和范围for
void PrintList(const list<int>& l)
{
    // 注意这里调用的是list的 begin() const，返回list的const_iterator对象
    for (list<int>::const_iterator it = l.begin(); it != l.end(); ++it)
    {
        cout << *it << " ";
        // *it = 10; 编译不通过
    }

    cout << endl;
}

void TestList2()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
    list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
    // 使用正向迭代器正向list中的元素
    // list<int>::iterator it = l.begin();   // C++98中语法
    auto it = l.begin();                     // C++11之后推荐写法
    while (it != l.end())
    {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;

    // 使用反向迭代器逆向打印list中的元素
    // list<int>::reverse_iterator rit = l.rbegin();
    auto rit = l.rbegin();
    while (rit != l.rend())
    {
        cout << *rit << " ";
        ++rit;
    }
    cout << endl;
}

**【注意】

  1. begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动
  2. rbegin(end)与rend(begin)为反向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向前移动**

3.迭代器都会提供两个版本，一个是无const修饰的，一个是有const修饰的

list capacity

|-----------|----------------------------------|
| 函数声明 | 接口说明 |
| empty | 检测list是否为空，是返回true，否则返回false |
| size | 返回list中有效节点的个数 |

cpp 复制代码 
// list::empty
#include <iostream>
#include <list>

int main ()
{
  std::list<int> mylist;
  int sum (0);

  for (int i=1;i<=10;++i) mylist.push_back(i);

  while (!mylist.empty())
  {
     sum += mylist.front();
     mylist.pop_front();
  }

  std::cout << "total: " << sum << '\n';
  
  return 0;
}
cpp 复制代码 
// list::size
#include <iostream>
#include <list>

int main ()
{
  std::list<int> myints;
  std::cout << "0. size: " << myints.size() << '\n';

  for (int i=0; i<10; i++) myints.push_back(i);
  std::cout << "1. size: " << myints.size() << '\n';

  myints.insert (myints.begin(),10,100);
  std::cout << "2. size: " << myints.size() << '\n';

  myints.pop_back();
  std::cout << "3. size: " << myints.size() << '\n';

  return 0;
}

这两个函数都是与list中成员有关的函数，我们学会后可以方便快速使用。

list element access

|-----------|------------------------|
| 函数声明 | 接口说明 |
| front | 返回list的第一个节点中值的引用 |
| back | 返回list的最后一个节点中值的引用 |

cpp 复制代码 
// list::front
#include <iostream>
#include <list>

int main ()
{
  std::list<int> mylist;

  mylist.push_back(77);
  mylist.push_back(22);

  // now front equals 77, and back 22

  mylist.front() -= mylist.back();

  std::cout << "mylist.front() is now " << mylist.front() << '\n';

  return 0;
}
cpp 复制代码 
// list::back
#include <iostream>
#include <list>

int main ()
{
  std::list<int> mylist;

  mylist.push_back(10);

  while (mylist.back() != 0)
  {
    mylist.push_back ( mylist.back() -1 );
  }

  std::cout << "mylist contains:";
  for (std::list<int>::iterator it=mylist.begin(); it!=mylist.end() ; ++it)
    std::cout << ' ' << *it;

  std::cout << '\n';

  return 0;
}

list modifiers

|------------|------------------------------|
| 函数声明 | 接口说明 |
| push_front | 在list首元素前插入值为val的元素 |
| pop_front | 删除list中第一个元素 |
| push_back | 在list尾部插入值为val的元素 |
| pop_back | 删除list中最后一个元素 |
| insert | 在list position 位置中插入值为val的元素 |
| erase | 删除list position位置的元素 |
| swap | 交换两个list中的元素 |
| clear | 清空list中的有效元素 |

cpp 复制代码 
// list插入和删除
// push_back/pop_back/push_front/pop_front
void TestList3()
{
    int array[] = { 1, 2, 3 };
    list<int> L(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));

    // 在list的尾部插入4，头部插入0
    L.push_back(4);
    L.push_front(0);
    PrintList(L);

    // 删除list尾部节点和头部节点
    L.pop_back();
    L.pop_front();
    PrintList(L);
}

// insert /erase 
void TestList4()
{
    int array1[] = { 1, 2, 3 };
    list<int> L(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));

    // 获取链表中第二个节点
    auto pos = ++L.begin();
    cout << *pos << endl;

    // 在pos前插入值为4的元素
    L.insert(pos, 4);
    PrintList(L);

    // 在pos前插入5个值为5的元素
    L.insert(pos, 5, 5);
    PrintList(L);

    // 在pos前插入[v.begin(), v.end)区间中的元素
    vector<int> v{ 7, 8, 9 };
    L.insert(pos, v.begin(), v.end());
    PrintList(L);

    // 删除pos位置上的元素
    L.erase(pos);
    PrintList(L);

    // 删除list中[begin, end)区间中的元素，即删除list中的所有元素
    L.erase(L.begin(), L.end());
    PrintList(L);
}

// resize/swap/clear
void TestList5()
{
    // 用数组来构造list
    int array1[] = { 1, 2, 3 };
    list<int> l1(array1, array1 + sizeof(array1) / sizeof(array1[0]));
    PrintList(l1);

    // 交换l1和l2中的元素
    list<int> l2;
    l1.swap(l2);
    PrintList(l1);
    PrintList(l2);

    // 将l2中的元素清空
    l2.clear();
    cout << l2.size() << endl;
}

这些都是list中一些重要接口，我们一定要牢记。list中还有一些操作，需要用到时大家可参阅list的文档说明。

list的模拟实现

模拟实现list的准备

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，所以我们先从STL源码(SGI版本)开始学习。我们要进行模拟，首先得知道底层的数据类型都有什么。

首先我们知道list是带头双向链表，所以每一处都有一个节点，所以C++肯定会对节点进行封装。

源码中创建了节点的模板，使用struct对节点进行封装处理。因为我们要访问节点，所以使用struct进行类定义而不是class，class默认类部成员都是私有，struct默认类部成员都是公有。

接下来应该看list的结构，看list中的成员变量有什么？

list类中只有一个成员，并且这个成员是节点的指针。

我们已经大致了解了list的类型，接下来我们开始模拟实现list。

封装节点------第一个封装

cpp 复制代码 
#include<assert.h>
#include<iostream>
using namespace std;
namespace why
{
	template<class T>
	struct list_node
	{
		list_node<T>* _next;
		list_node<T>* _prev;
		T _data;

		list_node(const T& x = T())
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _data(x)
		{}
	};

创建一个节点类进行封装， 我们在这里没有源码中那么繁琐，不需要定义空指针进行强制类型转换，而是直接使用list_node<T>*进行指针声明。在这里我们也需要构造函数，默认构造函数对指针不能很好的初始化。

创建list类------第二个封装

cpp 复制代码 
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;
	list()
	{
		_head = new node;
		_head->_next = _head;
		_head->_prev = _head;
	}
private：
    node* _head;
}；

list是一个双向循环链表 ，所以它只需要一个指针 ，便可以遍历整个链表并且回到原来的位置。为此我们可以设计一个头节点为list的起始节点，这个头节点不含任何数据，它只是作为一个空的节点而已，所以我们创建一个_head指针作为头节点。

push_back函数模拟

push_back函数是在list的末尾进行插入数据，就与C语言中的数据结构一样进行插入即可。

cpp 复制代码 
void push_back(const T& x)
{
	node* tail = _head->_prev;
//创建新节点
	node* newnode = new node(x);
	tail->_next = newnode;
	newnode->_prev = tail;
	newnode->_next = _head;
	_head->_prev = newnode;
	
}

创建一个新节点，让新节点的_prev指向尾部，_next指向头节点。让头节点的_prev指向新节点，尾部节点的_next指向新节点即可。

创建迭代器类------第三个封装

我们现在已经可以将数据尾插到list中去了，但是如何进行遍历打印呢？在list中因为每一个节点的空间是不连续的，所以不能重载[]进行下标访问。而且在string与vector中都使用的是原生指针，所以可以进行++，!=，*()操作，但是在list中却不能使用。因此list的迭代器应该是自定义类型对原生指针的封装，模拟指针的行为，才能有正确的递增，递减，取值，成员取用的行为。

我们需要通过源码进行分析，然后创建一个迭代器的类自己进行重载正确使用。这里推荐大家去看一下源码。

SGI版本list源码https://github.com/karottc/sgi-stl

总结如下：

递增：正确的找到其next的地址

递减：正确的找到其prev的地址

取值：当前节点的取值

成员取用：当前节点的成员

cpp 复制代码 
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* n)
		:_node(n)
	{}
	Ref& operator*()
	{
		return _node->_data;
	}
	self operator++()
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}
	self operator++(int)
	{
		self tmp(_node);
		_node = _node->_next;
		return tmp;
	}
	self operator--()
	{
		_node = _node->_prev;
		return *this;
	}
	self operator--(int)
	{
		self tmp(_node);
		_node = _node->_prev;
		return tmp;
	}
	Ptr operator->()
	{
		return &_node->_data;
	}
	bool operator!=(const self& s)
	{
		return _node != s._node;
	}
	bool operator==(const self& s)
	{
		return _node == s._node;
	}
};

类模板中为什么有三个参数呢？因为*()与->进行重载时会面临两种情况，有无const修饰，所以我们可以通过模板来传递此重载是否有无const。如果不理解这种情况，我们可以分开写有无const的情况，但是这样需要写4种情况，造成代码的冗余。

这时我们就可以使用迭代器对list进行遍历打印操作了，可以使用范围for。

cpp 复制代码 
void test1()
{
	list<int> ll;
	ll.push_back(1);
	ll.push_back(1);
	ll.push_back(1);
	ll.push_back(1);
	list<int>::iterator it = ll.begin();
	while (it != ll.end())
	{
		 cout << *it << ' ';
		 ++it;
	}
	cout << endl;
}

注意：这里我们在给迭代器it赋值时调用了默认拷贝构造函数，因为这里不需要深拷贝。但是在vector，string的情况来说浅拷贝会报错，但是这里为什么没有报错呢？因为在迭代器类中我们并没有写析构函数，所以不会进行多次重复释放空间。

我们这里是不需要写析构函数的，因为迭代器创建的类只是为了更好的适应迭代器的操作，因为list是不连续的空间，我们迭代器指向的空间全部都是节点的，我们只是使用一下而已不需要进行释放操作，释放是list的事情。

begin与end函数模拟

cpp 复制代码 
iterator begin()
{
	//iterator it(_head->_next);
	//return it;
	return iterator(_head->_next);
}

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

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

const_iterator end() const
{
	//iterator it(_head->_next);
	//return it;
	return const_iterator(_head);
}

begin与end都有两个版本，const与非const。

insert函数模拟实现

插入函数非常简单，在迭代器pos位置进行插入即可。

cpp 复制代码 
	void insert(iterator pos, const T& x)
	{
		node* cur = pos._node;
		node* prev = cur->_prev;
		node* newnode = new node(x);
		prev->_next = newnode;
		newnode->_prev = prev;
		cur->_prev = newnode;
		newnode->_next = cur; 
	}

将插入的数进行前端后端相连即可。

前面说过，此处大家可将迭代器暂时理解成类似于指针，迭代器失效即迭代器所指向的节点的无效，即该节点被删除了。因为list的底层结构为带头结点的双向循环链表，因此在list中进行插入时是不会导致list的迭代器失效的，只有在删除时才会失效，并且失效的只是指向被删除节点的迭代器，其他迭代器不会受到影响。

erase函数模拟实现

我们可以看出erase是有返回值的，就是避免迭代器失效的原因，而且绝对不能删除哨兵位节点，所以得使用断言。

cpp 复制代码 
iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos != end());
	node* prev = pos._node->_prev;
	node* cur = pos._node->_next;
	prev->_next = cur;
	cur->_prev = prev;
	delete pos._node;
	return iterator(cur);
}

写完insert与erase我们就可以对其进行复用，pop_back、pop_front、push_back、push_front就是进行了首插、首删、尾插、尾删。

cpp 复制代码 
void pop_back()
{
	erase(--end());
}
void pop_front()
{
	erase(begin());
}
void push_back(const T& x)
{
	insert(end(), x);
}
void push_front(const T& x)
{
	insert(begin(), x);
}

clear函数以及析构函数的实现

clear函数就是将list置空，所以我们可以复用erase进行逐一删除即可。

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

不能使用erase(it)，会导致迭代器失效

析构函数将空间全部释放置空：

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

其余函数接口的实现

迭代器初始化：

cpp 复制代码 
template <class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{
	empty_init();

	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		++first;
	}
}

拷贝构造函数：

cpp 复制代码 
void swap(list<T>& tmp)
{
	std::swap(_head, tmp._head);
}
list(const list<T>& lt)
{
	_head = new node;
    _head->_next = _head;
    _head->_prev = _head;
	list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
	swap(tmp);
}

我们使用现代写法进行偷懒，我们使用迭代器初始化一个临时对象tmp，将tmp与目标进行交换即可。

赋值重载构造：

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

我们使用传值时会进行拷贝构造临时对象lt，将lt与目标进行交换即可，属于窃取劳动成果！

在我们的"C++ List探秘之旅"中，我们像是一群探险者，勇敢地穿越了C++编程的密林，发现了list这个神奇的宝藏。现在，当我们回望这段旅程时，或许你已经领略到了在数据操控的掌声中，list是如何成为代码交响乐团的一部分。这并不是终点，而是一个新的起点。在C++的舞台上，list为你打开了通往更高层次编程乐趣的大门，希望大家可以通过本文走的更高。感谢观看！！！

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