C++ List底层实现

文章目录

• 前言
• 成员变量
• 成员函数
• • 迭代器
  • • [self& operator++()前置++](#self& operator++()前置++)
    • [self operator++(int)后置++](#self operator++(int)后置++)
    • [self operator--()前置--](#self operator--()前置--)
    • [self operator--(int)后置--](#self operator--(int)后置--)
    • [bool operator!=(const self & tmp)判断是否相等](#bool operator!=(const self & tmp)判断是否相等)
    • [T* operator*() 解引用操作](#T* operator*() 解引用操作)
  • list()初始化
  • [iterator begin()](#iterator begin())
  • [iterator end()](#iterator end())
  • [const_iterator begin()const](#const_iterator begin()const)
  • [const_iterator end()const](#const_iterator end()const)
  • [iterator insert(iterator pos, const T& val)在pos位置插入val](#iterator insert(iterator pos, const T& val)在pos位置插入val)
  • [void push_back(const T& val)在尾部位置后插入](#void push_back(const T& val)在尾部位置后插入)
  • [void push_front(const T& val)在头部位置插入](#void push_front(const T& val)在头部位置插入)
  • [iterator erase(iterator pos)](#iterator erase(iterator pos))
  • [void pop_back()//删除最后一个元素](#void pop_back()//删除最后一个元素)
  • [void pop_front()删除第一个元素](#void pop_front()删除第一个元素)
  • [list(list<T>& tmp)拷贝构造](#list(list<T>& tmp)拷贝构造)
  • [void swap(list<int>&tmp)交换两个list](#void swap(list<int>&tmp)交换两个list)
  • [list< T>& operator=(list< T> it)赋值](#list< T>& operator=(list< T> it)赋值)
  • [int size()判断有多少元素](#int size()判断有多少元素)
  • [bool empty() 判断list是否为空](#bool empty() 判断list是否为空)
  • [T& front()取首元素](#T& front()取首元素)
  • [T& back()取尾元素](#T& back()取尾元素)
  • [void clear()清空元素](#void clear()清空元素)
  • ~list()析构
  • 再谈迭代器
• 完整代码
• 总结

---

前言

我们都清楚c++中的容器list，本质上就是一个带头双向循环链表，接下来我们实现一下list的底层，帮助我们更深层次的了解list的结构和使用

成员变量

我们知道这个节点有三部分构成 _prev,_next,_val;每个节点看作list的一个元素，这又是一个双向带头循环链表，那么我们如果仅仅知道头节点，就可以访问遍历链表中的所有元素。

//类模板

template < class T>

struct ListNode

{

ListNode(const T& val=T()) //初始化

:_prev(nullptr)

,_next(nullptr)

,_data(val)

{ }

ListNode* _prev;//指向前一个元素

ListNode* _next;//指向后一个元素

T _data;//当前节点的值

};

有了这个结点之后，我们在实现list是创建一个头节点就可以控制这个链表了

template

class list

{

//模板+类--》类型

typedef ListNode Node;

private:

Node* _head;

};

在class类中，默认为私有的，在struct中默认为公有，只有将这个节点定义为公有，我们才可以访问。

那这里采用内部类的方法不行吗？？

答案是不行的，如果我们吧struct定义在内部类中，外部list类就无法访问struct中的元素了。

成员函数

迭代器

我们在实现vector中，迭代器我们并没有实现，或者说我们不需要实现，因为vector容容器的结构很特殊，是一块连续的物理空间。加加，解引用等方式很容易实现。

我们看一下迭代器，是一个个地址不连续的指针

那我们怎末实现呢

我们很清楚迭代器的实质就是一个指针，在这个list中就是哟个listNode的指针。

我们要实现迭代器的操作，可以采用运算符重载的方式实现，但是这里又出现了新的问题，迭代器是一个内置类型，只有自定义类型才可以实现自定义类型重载，所以我们需要都这个指针进行封装，变成一个自定义类型

template< class T >

struct ___list_iterator

{

typedef ListNode< T> Node;//方便我们使用

typedef ___list_iterator< T> self;//方便使用，我们会用到

___list_iterator(Node* x)//初始化

:_node(x)

{}

Node* _node;//成员变量

};

在这里面实现我们需要的功能，

list::const_iterator it = lt.begin();

while (it != lt.end())

{

std::cout << *it << " ";

++it;

}

std::cout << std::endl;

我们需要实现前置++,后置++,前置- -，后置- -，解引用，判断是否相等。我们依此来看一下

self& operator++()前置++

self& operator++()//++返回的是一个

{

_node = _node->_next;//我们仅需要让指针往后移动一个节点就可以

return *this;

}

self operator++(int)后置++

这里只能用self,不能用self&，因为返回的是一个临时对象

self operator++(int)//后置++也是返回一个节点，

{

self tmp(*this);//首先拷贝一份

_node = _node->next;//指针向后移动一个节点

return tmp;//返回拷贝的值

}

self operator--()前置--

self& operator--()

{

_node = _node->_prev;

return *this;

}

self operator--(int)后置--

self operator--(int)

{

self tmp(*this);

_node = _node->perv;

return tmp;

}

bool operator!=(const self & tmp)判断是否相等

bool operator!=(const self & tmp)

{

return _node != tmp._node;//判断两个指针是否指向同一块空间就可以

}

T* operator*() 解引用操作

T* operator*()

{

return _node->_data;

}

list()初始化

list()

{

我们初始化仅仅初始化头节点就可以

empty_list();//我们可以通过调用这个函数创建头节点

}

void empty_list()

{

_head = new Node;

_head->_next = _head;

_head->_prev = _head;

}

iterator begin()

iterator begin()

{

return _head->_next;//第一个元素就是头节点后面的那个元素

}

iterator end()

iterator end()

{

return _head;//最后一个元素的下一个就是head

}

const_iterator begin()const

const_iterator begin()const

{

return _head->_next;

}

const_iterator end()const

const_iterator end()const

{

return _head;

}

iterator insert(iterator pos, const T& val)在pos位置插入val

iterator insert(iterator pos, const T& val)

{

Node* cur = pos._node;//我们首先需要取到迭代器中的元素

Node* newnode = new Node(val);//创建新节点

Node* prev = cur->_prev;//保留之前的节点

prev->_next = newnode;//改变指向

newnode->_prev = prev;

newnode->_next = cur;

cur->_prev = newnode;

return newnode;//返回新节点

}

我们来看一下这里的insert有没有迭代器失效的问题？？

void push_back(const T& val)在尾部位置后插入

void push_back(const T& val)

{

insert(end(), val);//我们可以直接进行复用

}

void push_front(const T& val)在头部位置插入

void push_front(const T& val)

{

insert(begin(), val);

}

iterator erase(iterator pos)

iterator erase(iterator pos)

{

assert(pos != end());//断言一下，不是删除头节点

Node* cur = pos._node;//取到迭代器中的元素

Node* prev = cur->_prev;//记录前一个位置

Node* next = cur->_next;//记录后一个位置

delete cur;//释放当前元素

prev->_next = next;//改变指向

next->_prev = prev;

return next;//返回删除元素的下一个位置

}

我们来看一下这里会不会有迭代器失效的问题??

我们发现这里存在迭代器失效的问题，并且很大，这个元素删除了之后，之后很可能还需要用到这个元素，继续删除，如果不及时更新，就会出现大问题。

void pop_back()//删除最后一个元素

void pop_back()

{

erase(--end());//我们要注意end是哪个位置

}

void pop_front()删除第一个元素

void pop_front()

{

erase(begin());

}

list(list& tmp)拷贝构造

在这里我们有很多方式实现，我们来看一种比较简单的

list(list< T>& tmp)

{

empty_list();//首先创建一个头节点

//遍历

for (const auto& e : tmp)

{

push_back(e);//取数据依次插入这个新的头结点中

}

}

void swap(list&tmp)交换两个list

void swap(list< int>&tmp)

{

std::swap(_head, tmp._head);//我们仅仅改变两个list的指针就可以

}

list< T>& operator=(list< T> it)赋值

list< T>& operator=(list< T> it)

{

swap(it);

return *this;

}

我们再来看一下这个过程，我们假设lt1=lt2;

因为list< T> it这里，lt2会产生一份临时拷贝it

我们swap(it)，本质就是将it与lt1的内容进行交换

it是临时变量，出了作用域就销毁了，我们就完成了赋值任务

int size()判断有多少元素

int size()

{

int count = 0;//记录一个变量，一个个统计即可

for (const auto& e : *this)

{

count++;

}

return count;

}

bool empty() 判断list是否为空

bool empty()

{

return size() == 0;//我们只需要判断list是否有元素

}

T& front()取首元素

T& front()

{

return _head->_next->_data;

}

T& back()取尾元素

T& back()

{

return _head->_prev->_data;

}

void clear()清空元素

一个个删除元素即可

void clear()

{

iterator it = begin();

while (it != end())

{

it = erase(it);

}

}

~list()析构

~list()

{

clear();

delete _head;

_head = nullptr;

}

再谈迭代器

我们已经实现了普通迭代器，但是对于const都迭代器，我们还需要实现。

我们再来看一下const迭代器，并不是这个迭代器指针不可以修改，而是迭代器指针所指向的内容不可以修改。

那我们是不是可以在普通迭代器的基础上再新增一个const迭代器，我们仅需要修改解引用的那块操作就可以，其他实现的功能都是相同的。

template<class T >
struct ___list_const_iterator
{
	typedef ListNode<T>  Node;
	typedef ___list_const_iterator<T> self;
	___list_const_iterator(Node* x)
		:_node(x)
	{}
	//不等于
	bool operator!=(const self& tmp)
	{
		return _node != tmp._node;
	}
	//解引用
	const T& operator*()
	{
		return  _node->_data;
	}
	//前置后置++
	self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}
	self operator++(int)
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->next;
		return tmp;
	}

	self& operator--()
	{
		_node = _node->_prev;
		return *this;
	}
	self operator--(int)
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->perv;
		return tmp;
	}
	//需要返回一个地址
	T* operator->()
	{
		return &_node->_data;
	}

	Node* _node;
};

虽然这样可以完成我们的功能，但是总感觉代码有点冗余，const迭代器和普通迭代器有太多重复内容，那我们可不可以通过一种方法将这两种迭代器进行合并呢？？

我们来看一下！！！

我们注意到，const T& operator*()和T& operator*()仅仅是返回值不同，我们又不能把两个方法放在同一个迭代器中，我们可以利用传参的方式进行解决，我们来看一下这种操作

模板传递的是类型，根据传参的不同调用自己合适的模板参数，这两个是完全不同的类型，我们这样就可以轻松完成我们的工作，仅仅使用一个迭代器就完成了两个功能

完整代码

namespace peng
{
	template <class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode(const T& val=T())
			:_prev(nullptr)
			,_next(nullptr)
			,_data(val)
		{	}
		ListNode* _prev;
		ListNode* _next;
		T _data;
	};
	//
	//迭代器
	//不连续,
	template<class T,class Ref  >
	struct ___list_iterator
	{
		typedef ListNode<T>  Node;
		typedef ___list_iterator<T,Ref> self;
		___list_iterator(Node* x)
			:_node(x)
		{}
			//不等于
			bool operator!=(const self & tmp)
			{
				return _node != tmp._node;
			}
			//解引用
			Ref operator*()
			{
				return  _node->_data;
			}
			//前置后置++
			self& operator++()
			{
				_node = _node->_next;
				return *this;
			}
			self operator++(int)
			{
				self tmp(*this);
				_node = _node->next;
				return tmp;
			}

			self& operator--()
			{
				_node = _node->_prev;
				return *this;
			}
			self operator--(int)
			{
				self tmp(*this);
				_node = _node->perv;
				return tmp;
			}
			//需要返回一个地址
			T* operator->()
			 {
				return &_node->_data;
				
			 }
		
	    Node* _node;
	};


	//默认私有
	template<class T>
	class list
	{
		//模板+类--》类型
		typedef ListNode<T> Node;
	public:
	//	typedef ___list_iterator<T, T&,T*> iterator;
	//	typedef ___list_iterator<T, const T&,const T*> const_iterator;

	 	typedef ___list_iterator<T,T&> iterator;
		typedef ___list_iterator<T,const T&>  const_iterator;

		list()
		{			empty_list();
		}
		void empty_list()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
		//l1(l2)
		list(list<T>& tmp)
		{
			empty_list();
			//遍历
			for (const auto& e : tmp)
			{
				push_back(e);
			}
		}
		iterator begin()
		{
			return _head->_next;
		}
		iterator end()
		{
			return _head;
		}
		const_iterator begin()const
		{
			return _head->_next;
		}
		const_iterator end()const
		{
			return _head;
		}
		void swap(list<int>&tmp)
		{
			std::swap(_head, tmp._head);
		}
		list<T>&  operator=(list<T> it)
		{
			swap(it);
			return *this;
		}
		int size()
		{
			int count = 0;
			for (const auto& e : *this)
			{
				count++;
			}
			return count;
		}
		bool empty()
		{
			return size() == 0;
		}
		iterator insert(iterator pos, const T& val)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* newnode = new Node(val);
			Node* prev = cur->_prev;
			prev->_next = newnode;
			newnode->_prev = prev;
			newnode->_next = cur;
			cur->_prev = newnode;
			return newnode;
		}
		void push_back(const T& val)
		{
			insert(end(), val);
		}
		void push_front(const T& val)
		{
			insert(begin(), val);
		}
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* next = cur->_next;
			delete cur;
			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			return next;
		}
		T& front()
		{
			return _head->_next->_data;
		}
		T& back()
		{
			return _head->_prev->_data;
		}
		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}

		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}
		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
		}
		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}
	private:
		Node* _head;
	};
}

总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅仅详细介绍了C++list的模拟实现，希望对大家的学习有所帮助，仅供参考 如有错误请大佬指点我会尽快去改正 欢迎大家来评论~~ 😘 😘 😘