STL —— list

加勒比之杰克2024-04-10 10:49

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本篇文章主要讲解 list模拟实现 的相关内容

１. list简介

列表（list）是C++标准模板库（STL）中的一个容器，它是一个双向链表数据结构，用于存储元素。与vector不同，列表中的元素在内存中不是连续存储的，而是通过指针相互连接形成链表。这种设计使得列表对于插入和删除操作非常高效，但是在查找特定元素时相对较慢，因为需要按序遍历整个链表。

２. list模拟实现

２.１ list类的相关成员变量

在C++的标准库中，list的实现方式是带头双向循环链表，因此在类中，我们需要一个头指针_head。至于每个节点，我们也同样需要构造一个类，其中成员变量包含_prev， _next和数据_val。

cpp 复制代码 
template<class T>
struct ListNode
{
	ListNode<T>* _prev;
	ListNode<T>* _next;
	T _val;
	ListNode(const T& x = T())
		:_prev(nullptr)
		,_next(nullptr)
		,_val(x)
	{}
};
template<class T>
class list
{
public:
	typedef ListNode<T> Node;
	list()
	{
		_head = new Node;
		_head->_prev = _head;
		_head->_next = _head;
	}
private:
	Node* _head;
};

２.２ 尾插

尾插太简单了，直接上代码：

cpp 复制代码 
void push_back(const T& x)
{
	Node* newnode = new Node(x);
	Node* tail = _head->_prev;
	tail->_next = newnode;
	newnode->_prev = tail;
	newnode->_next = _head;
	_head->_prev = newnode;
}

２.３ 迭代器

在库中，我们不管迭代器的底层是如何实现的，但是我们都要用相同的方法使用迭代器，例如之前讲过的 vector，string，在g++中的实现方法就是原生指针，来实现例如＋＋、－－、＊等功能，但是这里list由于不是连续存储的，所以用原生指针正常的＋＋、－－等功能并不能达到我们的预期，因此我们可以把迭代器搞成一个类类型，并用运算符重载来改变它的功能。
下面的代码是迭代器正常的使用方法，我们需要用运算符重载来实现这些功能：

cpp 复制代码 
void list_test1()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);
	lt.push_back(5);
	list<int>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

2.3.1 迭代器类的成员变量

迭代器类中其实就包含了一个指向结点类型的指针，因为我们的目的就是改变原生指针的相关操作，来实现迭代器相关的操作。

代码如下：

cpp 复制代码 
struct ListNodeIterator
{
	typedef ListNode<T> Node;
	Node* _node;
	ListNodeIterator(Node* node)
		:_node(node)
	{}
};

2.3.2 迭代器类的实现

cpp 复制代码 
template<class T>
struct ListNodeIterator
{
	typedef ListNode<T> Node;
	typedef ListNodeIterator<T> Self;
	Node* _node;
	ListNodeIterator(Node* node)
		:_node(node)
	{}
	T& operator*()
	{
		return _node->_val;
	}
	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->_prev;
		return tmp;
	}
	bool operator!=(const Self& it)
	{
		return _node != it._node;
	}
};

2.3.3 insert 和 erase

insert和erase传的参数就是iterator，模拟实现代码如下：

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

这里需要注意，在erase的时候由于迭代器指向的空间被释放了，会导致迭代器失效的问题，之前的文章讲过相关的内容，因此我们需要更新iterator，指向被删除的位置的下一个位置即可，代码如下：

cpp 复制代码 
iterator erase(iterator pos)
{
	Node* cur = pos._node;
	Node* prev = cur->_prev;
	Node* next = cur->_next;
	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;
	delete cur;
	cur = nullptr;
	return next;
}

2.3.4 begin 和 end

begin 和 end是在迭代器中的成员函数，返回头和尾的迭代器即可：

cpp 复制代码 
typedef ListNodeIterator<T> iterator;
iterator begin()
{
	return iterator(_head->_next);
	// 单参数类型的构造函数支持隐式类型转换，以下依法也可以：
	// return _head->_next;
}
iterator end()
{
	return iterator(_head);
	// return _head;
}

2.3.5 insert 和 erase的复用

push＿back、push＿front、pop＿back、pop＿front都可以复用insert和erase，代码如下：

cpp 复制代码 
void push_back(const T& x)
{
	/*Node* newnode = new Node(x);
	Node* tail = _head->_prev;
	tail->_next = newnode;
	newnode->_prev = tail;
	newnode->_next = _head;
	_head->_prev = newnode;*/
	insert(end(), x);
}
void pop_back()
{
	erase(--end());
}
void push_front(const T& x)
{
	insert(begin(), x);
}
void pop_front()
{
	erase(begin());
}

测试代码：

cpp 复制代码 
void list_test1()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);
	lt.push_back(5);
	list<int>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	lt.pop_back();
	lt.pop_back();
	it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	lt.push_front(100);
	lt.push_front(200);
	lt.push_front(300);
	it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	lt.pop_front();
	lt.pop_front();
	it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

2.3.5 operator->的重载

  • 先看一下这段代码：
cpp 复制代码 
void list_test2()
{
	struct A
	{
		int _a1;
		int _a2;
		A(int a1 = 0, int a2 = 0)
			:_a1(a1)
			,_a2(a2)
		{}
	};
	list<A> lt;
	A a(1, 2);
	lt.push_back(a);
	lt.push_back(A(3, 4));
	lt.push_back({ 5,6 });
	list<A>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		／／　主要看这里
		cout << (*it)._a1 << " " << (*it)._a2 << " ";
		cout << endl;
		++it;
	}
}

我们注意到当我们访问自定义类型的数据需要这样：(*it)._a1进行访问，但是迭代器就是为了模仿指针的相关操作，例如我们有A*这种类型的指针如何进行访问A中的数据呢？

cpp 复制代码 
A* aa;
(*aa)._a1;
／／　上面的方法很别扭，我们正常用指针都是用－＞访问的，所以我们如何实现－＞的重载呢？
aa->_a1;
  • 实现方法如下：
cpp 复制代码 
T* operator->()
{
	return &_node->_val;
}

为什么这样就行了呢，我们知道自定义类型Ａ存储在了节点的＿val中，这里返回了＿val的地址，如果按照正常的思路进行访问，应该按照如下的方式：

  • cout << it.operator->()->_a1 << " " << it.operator->()->_a2 << " ";

所以应该有两个箭头：第一个箭头代表运算符的重载，第二个代表指针解引用访问数据：

  • cout << it->->_a1 << " " << it->->_a2 << " ";

但是编译器进行了简化，两个箭头变成了一个箭头

  • cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << " ";

`

cpp 复制代码 
void list_test2()
{
	struct A
	{
		int _a1;
		int _a2;
		A(int a1 = 0, int a2 = 0)
			:_a1(a1)
			,_a2(a2)
		{}
	};
	/*A* aa;
	(*aa)._a1;
	aa->_a1;*/
	list<A> lt;
	A a(1, 2);
	lt.push_back(a);
	lt.push_back(A(3, 4));
	lt.push_back({ 5,6 });
	list<A>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << (*it)._a1 << " " << (*it)._a2 << " ";
		cout << it.operator->()->_a1 << " " << it.operator->()->_a2 << " ";
		//cout << it->->_a1 << " " << it->->_a2 << " ";
		cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << " ";
		
		cout << endl;
		++it;
	}
}

２.４ const迭代器

  • 我们先看以下这段代码：
cpp 复制代码 
void Print(const list<int>& lt)
{
	list<int>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

void list_test3()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(8);
	lt.push_back(6);
	lt.push_back(0);
	Print(lt);
}
  • 很明显，会报错，提示不能从const转换为非const：
  • 很多人可能会想着在begin和end后加上const进行修饰，但其实也不行，这样虽然传入的值是const类型，但是返回的值不是const类型，就会导致返回的值能被修改，但是要求是返回的值是const类型，所以这种想法是不行的，下面是错误的示范：
cpp 复制代码 
iterator begin() const
{
	return iterator(_head->_next);
	// 单参数类型的构造函数支持隐式类型转换，以下写法也可以：
	// return _head->_next;
}
iterator end() const
{
	return iterator(_head);
	// return _head;
}
void Print(const list<int>& lt)
{
	list<int>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		／／　这里可以修改
		*it += 10;
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

void list_test3()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(8);
	lt.push_back(6);
	lt.push_back(0);
	Print(lt);
}
  • 那应该如何解决呢？在此之前，我们需要了解一下这段代码：
cpp 复制代码 
const iterator begin() 
{
	return iterator(_head->_next);
	// 单参数类型的构造函数支持隐式类型转换，以下写法也可以：
	// return _head->_next;
}
const iterator end() 
{
	return iterator(_head);
	// return _head;
}
  • 当我们在返回值前加上const，代表返回的迭代器不能被修改，例如不能进行＋＋it；
  • 但是我们是想着迭代器指向的内容不能被修改，因此这种方法是不可行的。
  • 可以类比一下这段代码：
cpp 复制代码 
// const修饰的是解引用之后的内容
const int* a；
// const修饰的是指针本身
int* const a；
  • 解决方法其实很简单，之前说过既然不满足要求，那我们就自己造轮子，自己写一个类；
  • 这个类其实也很简单，就把ListNodeIterator这个类中的两个运算符重载函数的返回值改变一下就可以了，一个是＊，另一个是－＞：
cpp 复制代码 
template<class T>
struct ListNodeConstIterator
{
	typedef ListNode<T> Node;
	typedef ListNodeConstIterator<T> Self;
	Node* _node;
	ListNodeConstIterator(Node* node)
		:_node(node)
	{}
	const　T& operator*()
	{
		return _node->_val;
	}
	const　T* operator->()
	{
		return &_node->_val;
	}
	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->_prev;
		return tmp;
	}

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

在list类中加入这两个函数：

cpp 复制代码 
const_iterator begin() const
{
	return const_iterator(_head->_next);
	// 单参数类型的构造函数支持隐式类型转换，以下写法也可以：
	// return _head->_next;
}

const_iterator end() const
{
	return const_iterator(_head);
	// return _head;
}
  • 这时候就不能修改了


２.５ 模板的作用

我们发现，在两个迭代器中，只用两个函数的返回值不同，其他的全部都一样，看上去非常冗余，那我们可不可以用一种方法来解决这种冗余呢？肯定是可以的，我们这个时候就可以用到模板：

cpp 复制代码 
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct ListNodeIterator
{
	typedef ListNode<T> Node;
	typedef ListNodeIterator<T, Ref, Ptr> Self;
	Node* _node;
	ListNodeIterator(Node* node)
		:_node(node)
	{}
	Ref operator*()
	{
		return _node->_val;
	}
	Ptr operator->()
	{
		return &_node->_val;
	}
	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->_prev;
		return tmp;
	}

	bool operator!=(const Self& it)
	{
		return _node != it._node;
	}
};
template<class T>
class list
{
public:
	typedef ListNode<T> Node;
	typedef ListNodeIterator<T, T&, T*> iterator;
	typedef ListNodeIterator<T,const T&, const T*> const_iterator;
	iterator begin() 
	{
		return iterator(_head->_next);
		// 单参数类型的构造函数支持隐式类型转换，以下写法也可以：
		// return _head->_next;
	}
	iterator end() 
	{
		return iterator(_head);
		// return _head;
	}

	const_iterator begin() const
	{
		return const_iterator(_head->_next);
		// 单参数类型的构造函数支持隐式类型转换，以下写法也可以：
		// return _head->_next;
	}

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

这里虽然只写了一份iterator类，但是在编译的时候，编译器会根据你的需要生成两份iterator类，所以模板很强大。

３. 拷贝构造、赋值重载、析构

３.１　析构函数

  • 析构函数释放掉空间即可，记住更新一下迭代器。
cpp 复制代码 
void clear()
{
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		it = erase(it);
	}
}

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

３.２　拷贝构造

  • 拷贝构造新建一个头节点，然后尾插。
cpp 复制代码 
void empty_init()
{
	_head = new Node;
	_head->_prev = _head;
	_head->_next = _head;
}

list(const list<T>& lt)
{
	empty_init();
	for (auto& e : lt)
	{
		push_back(e);
	}
}

３.３　赋值重载

  • 赋值重载现代写法，之前讲过类似的方法：
cpp 复制代码 
void swap(list<T>& lt)
{
	std::swap(_head, lt._head);
}

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