【STL详解 —— list的模拟实现】

jokr_2024-04-15 13:31

STL详解 ------ list的模拟实现

list接口总览

cpp 复制代码 
namespace qq
{
	//模拟list中的节点类
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		//成员变量
		ListNode<T>* _next;
		ListNode<T>* _prev;
		T _data;

		//成员函数
		ListNode(const T& x = T())
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _data(x)
		{}
	};

	//模拟实现list迭代器
	template<class T, class Ref, class Ptr>
	struct ListIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> self;
		
		//成员变量
		Node* _node;
		
		//构造函数
		ListIterator(Node* node)
			:_node(node)
		{}


		//各种运算符重载函数
		Ref operator*();
		Ptr operator->();
		self& operator++();		//++it
		self& operator++(int);	//it++
		self& operator--();		//--it
		self& operator--(int);	//it--
		bool operator!=(const self& it);
		bool operator==(const self& it);
	};

	//模拟实现list
	template<class T>
	class list
	{
	public:
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
		

		//list iterator(迭代器)
		const_iterator begin()const;
		const_iterator end()const;
		iterator begin();
		iterator end();


		void clear();					

		//默认成员函数
		list();
		list(const list<T>& lt);		
		list<T>& operator=(list<T> lt);	
		~list();
		void empty_init();


		//list element access(访问容器相关函数)		注意：List不支持operator[]											
		T& front();
		const T& front()const;

		T& back();
		const T& back()const;
	

		// list modifiers(修改)
		void swap(list<T>& lt);		
		void push_back(const T& x);
		void push_front(const T& x);
		void pop_back();
		void pop_front();
		void insert(iterator pos, const T& val);
		iterator erase(iterator pos);
		size_t size()const;
		bool empty()const;

	private:
		Node* _head;
		size_t _size;
	};
}

在上面的代码中，模拟实现STL std::list 通过三个主要的类进行封装：ListNode，ListIterator，和 list。这样的封装提供了清晰的职责分离，并模仿了 STL 的设计哲学，每个类都具有特定的功能和目的。下面详细解释每个类的作用及其重要性：

  1. ListNode

    这个类代表链表的节点。链表是由一系列节点组成，每个节点包含数据和指向链表中前一个节点和后一个节点的指针。在 ListNode 中，成员变量 _next 和 _prev 分别是指向下一个和上一个节点的指针，而 _data 存储节点的值。这种设计允许链表在插入和删除操作中提供高效的性能，因为不需要重新排列整个数据结构，只需要修改指针。

  2. ListIterator

    这个类是链表的迭代器，它提供了遍历链表的机制。迭代器是一个重要的抽象，使得链表可以使用类似于数组的方式进行访问和修改。迭代器通过重载操作符（如 ++ 和 --）来前进和后退，通过解引用操作符 (* 和 ->) 来访问节点的数据。通过提供标准迭代器接口，list 类可以与标准算法（如 std::sort, std::find 等）一起工作，增加了其通用性和灵活性。

  3. list

    这是一个容器类，提供对链表的高级管理。这个类封装了对链表的所有操作，如添加和删除元素、访问元素、清空列表、获取列表大小等。它使用 ListNode 来存储数据，使用 ListIterator 来提供对元素的迭代访问。此外，list 还负责管理资源，包括节点的创建和销毁，确保程序的正确性和效率。

通过将不同的功能封装在不同的类中，代码更加模块化，易于理解和维护。例如，ListNode 关心节点的表示和链接，ListIterator 关心如何遍历这些节点，而 list 管理整个链表的结构。

并且，这里的 list 与之前模拟实现的 vector 和 string 有一些显著的不同。后两者都是在连续的物理空间 上进行操作，类似于数组，这使得它们可以通过简单的指针运算快速访问任意位置的元素。相比之下，list 并不是在连续的物理空间中存储数据 ，而是由一系列分散的节点组成，每个节点通过指针与前一个和后一个节点相连接。

因此，对于 vector 和 string，它们的迭代器基本上是对原生指针的轻量级封装，直接指向元素的存储位置。这使得迭代器可以直接通过指针运算来访问或修改元素，从而提供类似数组的效率。

然而，list 的存储结构要求其迭代器必须能够处理非连续的节点。因此，list 的迭代器不是简单的原生指针，而是一个更复杂的对象 ，它包含指向当前节点的指针。这种迭代器通过重载 ++ 和 --等操作符来移动到相邻的节点，而不是通过简单的地址运算。此外，迭代器需要通过解引用操作 访问节点内部的数据（例如，通过 _data 成员），这进一步区别于基于连续内存存储的容器。

这种设计使得list的插入和删除操作可以在任何位置高效进行，因为这些操作只涉及到指针的重新指向，而不需要移动多个元素。这使得list在需要频繁插入和删除的场景下表现得更优越。然而，这也意味着list在随机访问方面的性能不如基于数组的容器，如 vector 或 string。

结点类的模拟实现

list 在底层来看，他是一个带头双向循环链表 ，如下图：

所以，一个节点包含三个成员变量前驱指针(_next) 后驱指针 ( _prev) 数据(_data)

成员函数只用提供一个构造函数即可。

而析构函数是因为 ListNode 类中的数据成员决定了是否需要一个显式的析构函数。

  1. 简单数据成员：如果 ListNode 的 _data 成员是内置类型（如 int, double, char 等），或者是一些简单的、不需要特殊资源管理的自定义类型（例如不涉及动态内存管理的类），那么编译器生成的默认析构函数足以正确清理 ListNode 对象。在这种情况下，节点的内存管理（创建和销毁节点）由 list 类通过其构造函数和析构函数来处理。

  2. 复杂数据成员：如果 _data 成员是一个复杂的类，如那些拥有动态内存分配或其他资源（如文件句柄、网络连接等）的类，则这个类需要自己的析构函数来正确释放这些资源。然而，在 ListNode 类中，即便 _data 是复杂类型，其析构也应由 _data 类型自身负责。ListNode 类本身只需关心其指针成员 _next 和 _prev 的链接关系，而这些成员也不需要特殊的资源释放逻辑。

  3. 资源管理：关于 ListNode 的 next 和 prev 指针，它们通常只是指向其他 ListNode 对象，不需要在 ListNode 的析构函数中进行特殊处理。资源的分配和释放（比如 new 和 delete 操作）通常在 list 类的其他成员函数中处理，如插入、删除元素的函数。

总结来说，ListNode 类不需要显式定义析构函数，是因为其成员自动调用它们各自的析构函数，无需额外逻辑来释放资源。list 的析构函数负责遍历所有节点并删除它们，从而管理整个链表的生命周期。

构造函数

结点类的构造函数直接根据所给数据构造一个结点即可，构造出来的结点的数据域存储的就是所给数据，而前驱指针和后继指针均初始化为空指针即可。

cpp 复制代码 
//构造函数
ListNode(const T& x = T())
			:_next(nullptr)
			,_prev(nullptr)
			,_data(x)
		{}

注意 ：

使用 T() 表示如果在构造 ListNode 对象时没有提供参数，构造函数会自动创建一个 T 类型的临时对象（使用 T 的默认构造函数）。这使得在创建 ListNode 时可以省略参数，构造函数会使用 T 类型的默认值。

迭代器类的模拟实现

cpp 复制代码 
template<class T,class Ref,class Ptr>
	struct ListIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> self;

		Node* _node;

		ListIterator(Node* node)
			:_node(node)
		{}
		
		//*it
		Ref operator*()

		{
			return _node->_data;
		}

		//it->
		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}
		//++it
		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

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

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

		//it--
		self& operator--(int)
		{
			self tmp(*this);
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}
		 
		bool operator!=(const self& it)
		{
			return _node != it._node;
		}

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

迭代器类的模板参数说明

为什么我们实现的迭代器类的模板参数有三个参数？

cpp 复制代码 
template<class T,class Ref,class Ptr>

在list的模拟实现当中，我们typedef了两个迭代器类型，普通迭代器和const迭代器。

cpp 复制代码 
typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef ListIterator<T,const T&,const T*> const_iterator;

在 ListIterator 类的模板参数列表中，Ref 和 Ptr 分别指代引用和指针类型。

使用普通迭代器时，编译器会实例化一个普通迭代器对象；而使用常量迭代器时，则会实例化一个常量迭代器对象。

若该迭代器类不设计三个模板参数，将难以有效区分普通迭代器和常量迭代器。

构造函数

cpp 复制代码 
//构造函数
ListIterator(Node* node)
    : _node(node)
{}

参数 ：构造函数接受一个指向 ListNode<T> 类型的指针 node。这个指针指向列表中的一个节点。
功能 ：构造函数的主要功能是将 _node 成员变量初始化为传入的 node 指针所指向的节点。这样就建立了迭代器与列表节点之间的关联，使得迭代器可以通过指针访问节点的数据。

++运算符的重载

++it 前置递增操作符重载

cpp 复制代码 
	//++it
	self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}
  • 功能：这个函数实现了前置递增操作符，即 ++it。它使迭代器向前移动到列表中的下一个节点。
  • 操作：将迭代器当前指向的节点 _node指向下一个节点 _next。这样迭代器就指向了列表中的下一个元素。
  • 返回值：返回类型为self&，表示返回一个对自身的引用，以支持链式调用。这样可以使得多次操作可以连续执行。

it++ 后置递增操作符重载

cpp 复制代码 
	//it++
	self& operator++(int)
	{
		self tmp(*this);
		_node = _node->_next;
		return tmp;
	}
  • 功能：这个函数实现了后置递增操作符，即 it++。它使迭代器向前移动到列表中的下一个节点，并返回移动前的迭代器。
  • 操作：首先，创建一个临时的迭代器 tmp，它是当前迭代器的副本。然后，将当前迭代器指向下一个节点。最后，返回之前创建的临时迭代器 tmp，表示返回移动前的迭代器。
  • 返回值：返回类型为 self&，表示返回一个对自身的引用，以支持链式调用。因为后置递增操作符应该返回移动前的迭代器的值，而不是移动后的。

--运算符的重载

--的重载思路与++相类似

cpp 复制代码 
//--it
		self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

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

==运算符的重载

cpp 复制代码 
bool operator==(const self& it)
	{
		return _node == it._node;
	}
  • 功能：这个函数用于比较两个迭代器是否指向相同的节点。
  • 参数：参数 const self& it 是另一个迭代器对象，表示要与当前迭代器进行比较的对象。
  • 操作：将当前迭代器 _node 指向的节点地址与参数迭代器 it 的 _node 指向的节点地址进行比较。如果它们指向的是同一个节点，则返回 true；否则返回 false。
  • 返回值：返回一个布尔值，表示两个迭代器是否相等。如果它们指向相同的节点，则返回 true；否则返回 false。

!=运算符的重载

cpp 复制代码 
bool operator!=(const self& it)
	{
		return _node != it._node;
	}
  • 功能：该函数用于比较两个迭代器是否指向不同的节点。
  • 参数：参数 const self& it 是另一个迭代器对象，表示要与当前迭代器进行比较的对象。
  • 操作：将当前迭代器 _node 指向的节点地址与参数迭代器 it 的 _node 指向的节点地址进行比较。如果它们指向的不是同一个节点，则返回 true；否则返回 false。
  • 返回值：返回一个布尔值，表示两个迭代器是否不相等。如果它们指向不同的节点，则返回 true；否则返回 false。

* 运算符的重载

cpp 复制代码 
//*it
	Ref operator*()
	{
		return _node->_data;
	}
  • 功能：这个函数用于返回迭代器当前指向节点的数据。
  • 操作：它通过返回 _node->_data，即当前节点的数据，来提供对数据的访问。
  • 返回值：返回类型为 Ref，即引用类型，表示返回的是当前节点数据的引用。这样做可以直接操作节点数据，而不需要进行拷贝。

-> 运算符的重载

cpp 复制代码 
//it->
	Ptr operator->()
	{
		return &_node->_data;
	}
  • 功能：这个函数用于返回一个指向迭代器当前指向节点数据的指针。
  • 操作：它通过返回 &_node->_data，即指向当前节点数据的指针，来提供对数据的访问。
  • 返回值：返回类型为 Ptr，即指针类型，表示返回的是当前节点数据的指针。这样做使得我们可以通过指针访问节点的数据成员，例如使用箭头运算符（->）。

想想如下场景：

当list容器当中的每个结点存储的不是内置类型，而是自定义类型，例如日期类，那么当我们拿到一个位置的迭代器时，我们可能会使用->运算符访问Date的成员：

cpp 复制代码 
	list<Date> lt;
	Date d1(2021, 8, 10);
	Date d2(1980, 4, 3);
	Date d3(1931, 6, 29);
	lt.push_back(d1);
	lt.push_back(d2);
	lt.push_back(d3);
	list<Date>::iterator pos = lt.begin();
	cout << pos->_year << endl; //输出第一个日期的年份

注意： 使用pos->_year这种访问方式时，需要将日期类的成员变量设置为公有。

对于->运算符的重载，我们直接返回结点当中所存储数据的地址即可。

cpp 复制代码 
Ptr operator->()
{
	return &_pnode->_val; //返回结点指针所指结点的数据的地址
}

这里本来是应该有两个->的，第一个箭头是pos ->去调用重载的operator->返回Date* 的指针，第二个箭头是Date* 的指针去访问对象当中的成员变量_year。

但是一个地方出现两个箭头，程序的可读性太差了，所以编译器做了特殊识别处理，为了增加程序的可读性，省略了一个箭头。

list的模拟实现

默认成员函数

构造函数

list是一个带头双向循环链表，在构造一个list对象时，直接申请一个头结点，并让其前驱指针和后继指针都指向自己即可。

cpp 复制代码 
//构造函数
list()
{
	_head = new Node;			 //申请一个头结点
	_head->_next = _head;		//头结点的后继指针指向自己
	_head->_prev = _head;		//头结点的前驱指针指向自己
		
	_size = 0;					//用于计数，先置为0
}
拷贝构造函数

拷贝构造函数就是根据所给list容器，拷贝构造出一个对象。对于拷贝构造函数，我们先申请一个头结点，并让其前驱指针和后继指针都指向自己，然后将所给容器当中的数据，通过遍历的方式一个个尾插到新构造的容器后面即可。

cpp 复制代码 
list(const list<T> &lt)
		{
			//先申请一个头节点
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;

			_size = 0;
			
			//复用push_back 来对这个节点进行尾插。
			//这里和vector的拷贝构造类似，不建议使用memcoy，如果是自定义类型数据，则memcpy将会出错。
			for (auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}
赋值运算符重载函数

我们这里直接使用现代写法：

这里编译器接收右值的时候自动调用其拷贝构造函数，使用swap()来交换这两个对象，因为值传值传参，故交换的是临时拷贝对象。

cpp 复制代码 
list<T>& operator=(list<T> lt)	//编译器接收右值的时候自动调用其拷贝构造函数
	{
		swap(lt);	//交换这两个对象
		return *this;	//支持连续赋值
	}
析构函数

对对象进行析构时，首先调用clear()函数清理容器当中的数据，然后将头结点释放，最后将头指针置空即可。

cpp 复制代码 
//析构函数
~list()
{
	clear(); //清理容器
	delete _head; //释放头结点
	_head = nullptr; //头指针置空
}

list iterator(迭代器)

begin和end
cpp 复制代码 
iterator begin()
{
	//返回使用头结点后一个结点的地址构造出来的普通迭代器
	return iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
	//返回使用头结点的地址构造出来的普通迭代器
	return iterator(_head);
}

重载一对用于const对象的begin函数和end函数。

cpp 复制代码 
const_iterator begin() const
{
	//返回使用头结点后一个结点的地址构造出来的const迭代器
	return const_iterator(_head->_next);
}
const_iterator end() const
{
	//返回使用头结点的地址构造出来的普通const迭代器
	return const_iterator(_head);
}

list element access(访问容器相关函数)

front和back

front和back函数分别用于获取第一个有效数据和最后一个有效数据，因此，实现front和back函数时，直接返回第一个有效数据和最后一个有效数据的引用即可。

cpp 复制代码 
T& front()
{
	return *begin(); //返回第一个有效数据的引用
}
T& back()
{
	return *(--end()); //返回最后一个有效数据的引用
}

当然，这也需要重载一对用于const对象的front函数和back函数，因为const对象调用front和back函数后所得到的数据不能被修改。

cpp 复制代码 
const T& front() const
{
	return *begin(); //返回第一个有效数据的const引用
}
T& back()
{
	return *(--end()); //返回最后一个有效数据的引用
}
const T& back() const
{
	return *(--end()); //返回最后一个有效数据的const引用
}

list modifiers(修改)

insert

insert函数可以在所给迭代器之前插入一个新结点。

这里的逻辑与之前我们用C实现链表数据结构时候的思想差不多，具体看见数据结构 | C语言链表讲解（新手入门）.

cpp 复制代码 
void insert(iterator pos, const T& val)
		{ 
			_size++;
			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;
		}
erase

erase函数可以删除所给迭代器位置的结点。

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

		return iterator(next);
	}
push_back和pop_back

push_back和pop_back函数分别用于list的尾插和尾删，在已经实现了insert和erase函数的情况下，我们可以通过复用函数来实现push_back和pop_back函数。

push_back函数就是在头结点前插入结点，而pop_back就是删除头结点的前一个结点。

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

当然，用于头插和头删的push_front和pop_front函数也可以复用insert和erase函数来实现。

push_front函数就是在第一个有效结点前插入结点，而pop_front就是删除第一个有效结点。

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

_size作为类的成员变量,当每次改变 list 的容量时，_size相应的++ 或者 -- 。

cpp 复制代码 
size_t size()const
	{
		return _size;
	}
empty
cpp 复制代码 
bool empty()const
	{
		return _size == 0;
	}
swap

swap函数用于交换两个容器，list容器当中存储的实际上就只有链表的头指针，我们将这两个容器当中的头指针交换即可。

cpp 复制代码 
void swap(list<T>& lt)
	{
		std::swap(_head, lt._head);
		std::swap(_size, lt._size);
	}

总览

cpp 复制代码 
#include<assert.h>
#include<iostream>
namespace qq
{
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode<T>* _next;
		ListNode<T>* _prev;
		T _data;

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

	/*typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
	typedef ListConstIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;*/

	template<class T,class Ref,class Ptr>
	struct ListIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> self;

		Node* _node;

		ListIterator(Node* node)
			:_node(node)
		{}
		
		//*it
		Ref operator*()

		{
			return _node->_data;
		}

		//it->
		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}
		//++it
		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

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

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

		//it--
		self& operator--(int)
		{
			self tmp(*this);
			_node = _node->_prev;
			return tmp;
		}
		 
		bool operator!=(const self& it)
		{
			return _node != it._node;
		}

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

	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> Node;
	public:
		/*typedef ListIterator<T> iterator;
		typedef ListConstIterator<T> const_iterator;*/

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

		const_iterator begin()const
		{
			return ListIterator<T, const T&, const T*>(_head->_next);
		}

		/*iterator end()
		{
			return ListIterator<T>(_head); 
		}*/
		const_iterator end()const
		{
			return _head;
		}


		iterator begin()
		{
			return ListIterator<T, T&, T*>(_head->_next);
		}

		iterator end()
		{
			return _head;
		}

		void empty_init()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;

			_size = 0;
		}

		list()
		{
			empty_init();
		}


		//lt2(lt1) 
		list(const list<T> &lt)
		{
			empty_init();
			for (auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}
		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
		}

		void swap(list<T>& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
			std::swap(_size, lt._size);
		}
		//lt3 = lt1;
		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}

		//需要析构，就需要深拷贝
		//没有析构，就不用深拷贝
		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}
		/*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;
		}*/


		T& front()
		{
			return *begin(); //返回第一个有效数据的引用
		}
		T& back()
		{
			return *(--end()); //返回最后一个有效数据的引用
		}

		const T& front() const
		{
			return *begin(); //返回第一个有效数据的const引用
		}
		T& back()
		{
			return *(--end()); //返回最后一个有效数据的引用
		}
		const T& back() const
		{
			return *(--end()); //返回最后一个有效数据的const引用
		}


		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 insert(iterator pos, const T& val)
		{ 
			_size++;
			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;
		}

		iterator erase(iterator pos)
		{

			_size--;
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* next = cur->_next;

			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete cur;

			return iterator(next);
		}

		size_t size()const
		{
			return _size;
		}

		bool empty()const
		{
			return _size == 0;
		}
	private:
		Node* _head;
		size_t _size;
	};

}
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