C++ STL-＞list模拟实现

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list
list文档

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类的函数接口

namespace ding
{
	//结点类
	template<class T>
	struct _list_node
	{
         //构造函数
		_list_node(const T& val = T());

		T _data;                 
		_list_node<T>* _next;   
		_list_node<T>* _prev;   
	};
	//迭代器类
	template<class T, class Ref, class Ptr>
	struct _list_iterator
	{
		typedef _list_node<T> node;
		typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
		//构造函数
		_list_iterator(node* pnode);  

		
		self operator++();
		self operator--();
		self operator++(int);
		self operator--(int);
		bool operator==(const self& s) const;
		bool operator!=(const self& s) const;
		Ref operator*();
		Ptr operator->();

		//成员变量
		node* _pnode;
	};

	//list类
	template<class T>
	class list
	{
	public:
		typedef _list_node<T> node;
		typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

		//Member functions
		list();
		list(const list<T>& lt);
		list<T>& operator=(const list<T>& lt);
		~list();

		//Iterators:
		iterator begin();
		iterator end();
		const_iterator begin() const;
		const_iterator end() const;

		//Element access:
		T& front();
		T& back();
		const T& front() const;
		const T& back() const;

		//Modifiers:
		void insert(iterator pos, const T& x);
		iterator erase(iterator pos);
		void push_back(const T& x);
		void pop_back();
		void push_front(const T& x);
		void pop_front();

		//Capacity:
		size_t size() const;
		void resize(size_t n, const T& val = T());
		void clear();
		bool empty() const;
		void swap(list<T>& lt);

	private:
		node* _head; 
	};
}

结点类的实现

list底层采用了带头双向循环链表的结构实现。

在实现list前，需要定义出一个一个结点出来。直接定义一个结点类，让结点类完成结点的构造即可。

template<class T>
struct _list_node
{
        _list_node(const T& val = T())
                :_data(val)
                ,_next(nullptr)
                ,_prev(nullptr)
        {}
        T _data;
        _list_node<T>* _next;
        _list_node<T>* _prev;
};

迭代器类的实现

• list底层物理空间不再连续，不再支持[]+下标的方式进行访问

• 只能用迭代器进行访问
• list迭代器的实现不能再像string或者vector那种底层物理空间连续的容器使用原生指针进行实现。
• 底层空间连续，使用原生指针实现，指针自增或者自减就可以访问到对应的元素，而list由于底层物理空间不来连续的原因，不能再使用原生指针

解决方法：

• 定义一个迭代器类，迭代器相关的操作(比如++,!=,*)等操作但都在迭代器类中重载

结合之前string类和vector类的实现得知迭代器要么就是原生指针，要么就是自定义类型对原生指针的一种封装，去模拟指针的行为。比如对结点指针自增就能指向下一个结点

构造函数

迭代器就是对结点指针进行封装，这里只需要一个结点指针成员变量即可。

_list_iterator(node* node)
{
    _node = node;
}

++运算符重载

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

• 这里的self是经过typedef后的typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self就是迭代器类类型
• 前置++与后置++重载语法规定后置++的形参必须为int。
• 后置++先记录一下当前结点，再让结点指向后一个，返回自增前的即可。

--运算符重载

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

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

*运算符重载

解引用操作符，是想拿到地址的内容，直接返回当前结点的数据内容即可。

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

注意 ：

这里的返回值是Ref,在定义迭代器类是时候定义了三个模板参数，T就是指定的类型，Ref则是指定类型的引用类型，也就是T&，Ptr则是指定类型的指针类型，也就是T*。

在list的实现中，

typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

• STL底层源码就是这样设计的，主要就是为了解决const迭代器的问题，如果不用模板解决的话，可以在定义一个const iterator类也可以解决问题，但是在实现以一个const迭代器与普通迭代器的区别就仅仅只是*返回值类型不一样而已，利用模板参数解决更妙。
• 普通迭代器返回T&类型，const迭代器返回const T&类型。
• 这里返回引用类型，主要是因为解引用后可能需要对数据进行修改。

!= && ==

迭代器经常需要进行判断两个迭代器是否相等不相等的操作，这里这需要判断两个迭代器中的结点是否相等即可，不需要做其他操作，定义出成const更为合理。

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

->操作符重载

这个操作符对于迭代器类型并不是很常用，但是为了模拟指针的行为，指针有->操作符，迭代器就模拟实现了。

运算符 -> 必须是一个成员函数。如果使用了 -> 运算符，返回类型必须是指针或者是类的对象。也就是这里返回值必须是Ptr 指定类型T*类型。

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

使用->场景：

当list中存放的是自定义类型，

class Date
{
public:
    Date(int year)
    {
            _year = year;
    }
    int _year = 0;
};
int main()
{
    std::list<Date>lt;
    lt.push_back(2023);
    lt.push_back(2024);
    auto it = lt.begin();
    cout << it->_year << endl;
    return 0;
}

可以使用->访问类的成员变量。

list类的实现

Member functions

构造函数

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

这里的node是经过typedef得。typedef _list_node<T> node;对结点类起的别名

构造一个链表即可，这里得空链表是需要一个头节点得。并且让自己指向自己。

拷贝构造

申请一个新的头结点，再将源容器中的数据依次尾插到新容器中即可

list(const list<T>& lt)
{
    _head = new node;
    _head->_next = _head;
    _head->_prev = _head;
    for (auto val : lt)
    {
            push_back(val);
    }
}

赋值运算符重载

• 将原来容器中的数据清空，在依次尾插新元素即可
• 注意要判断是否自己给自己赋值，不能自己给自己赋值，自己给自己赋值clear后数据丢失了

list<T>& operator=(const list<T>& lt)
{
    if (this != &lt)
    {
            clear();
            for (const auto e : lt)
            {
                    push_back(e);
            }
    }
    return *this;
}

迭代器构造

template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
    _head = new node;
    _head->_prev = _head;
    _head->_next = _head;
    while (first != last)
    {
            push_back(*first);
            ++first;
    }
}

析构函数

先清空容器在释放头节点即可

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

clear函数

void clear()
{
    auto it = begin();
    while (it != end())
    {
            erase(it++);
    }
}

Iterators

begin && end

begin函数返回的是第一个有效数据的迭代器，end函数返回的是最后一个有效数据的下一个位置的迭代器

底层是双向循环链表实现的，所以头结点的下一个就是gebin，头节点就是end。

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

Modifiers

insert

在pos位置前面插入一个结点

void insert(iterator pos, const T& x)
{
    node* newnode = new node(x);//创建新结点
    node* cur = pos._node;//pos位置的结点指针
    node* prev = cur->_prev;//pos前一个
    //连接关系
    prev->_next = newnode;
    newnode->_prev = prev;
    newnode->_next = cur;
    cur->_prev = newnode;
}

push_back && push_front

• 尾插 && 头插
• 在链表的尾部插入一个结点 && 在链表的头部插入一个结点
• 有了insert和迭代器，直接函数复用即可

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

eraser

删除pos位置的结点

iterator erase(iterator pos)
{
    node* cur = pos._node;//当前结点指针
    node* prev = cur->_prev;//pos位置前一个结点
    node* next = cur->_next;//pops位置后一个结点
    //连接关系
    prev->_next = next;
    next->_prev = prev;
    //释放删除的结点
    delete cur;

    return iterator(next);//防止迭代器失效，返回pos位置下一个迭代器
}

pop_back && pop_front

• 尾删和头删
• 复用迭代器和rease即可
• end是头节点，尾删时需要--end() 才是尾部结点

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

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

Capacity

size

• 求容器元素个数
• 遍历容器求个数(效率太低不推荐)

size_t size() const
{
    size_t size = 0;
    auto it = begin();
    while (it != end())
    {
            size++;
            it++;
    }
    return size;
}

• 在定义一个成员变量统计元素个数(以空间换时间，更推荐)

clear

• 清空list中的结点，除了头结点。
• 利用迭代器遍历尾删即可

void clear()
{
    auto it = begin();
    while (it != end())
    {
            pop_back();
    }
}

empty

bool empty() const
{
    return _head->_next;
}

resize

• 扩容加初始化函数
• resize规则
• 若当前容器的size小于所给n，则尾插结点，直到size等于n为止。
• 若当前容器的size大于所给n，则只保留前n个有效数据。

void resize(size_t n, const T& val = T())
{
    size_t sz = size();
    if (sz < n)//扩容
    {
            for (; sz < n; ++sz)
            {
                    push_back(val);
            }
    }
    else//不扩容
    {
            if (sz > n)//缩容
            {
                    int len = sz - n;
                    cout << len << endl;
                    while (len--)
                    {
                            pop_back();
                    }
            }
    }

}

swap函数

交换两个容器的头指针即可

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

参考源码

• gitee 码云 - 开源中国
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