c++模拟实现list——详讲双链表--链表

爱吃喵的鲤鱼2024-04-23 13:57

在C语言中我们已经模拟实现了list，现在对比c++看看二者的区别

双链表------------详讲

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链表就像这个火车

前言

  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)

一、list是什么？

list就是带头双向链表，头节点存有链表的最后一个节点的地址和第一个节点的地址（链表的物理空间是不连续的，每一个节点的物理空间都是独立的），每一个节点中都存有上一个节点的地址和下一个节点的地址。

二、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。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <list>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

#include <time.h>

void test_list1()
{
//定义链表和插入数据
	list<int> lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);

//迭代器的遍历
	list<int>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;

	for (auto e : lt)
	{
		cout << e <<" ";
	}
	cout << endl;

//查找节点插入数据
	list<int>::iterator pos = find(lt.begin(), lt.end(), 3);
	if (pos != lt.end())
	{
		lt.insert(pos, 30);
	}


	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

这里的迭代器的使用和vector一样但是这两个迭代器底层有着非常大的差距 ，在下面的模拟实现中会非常细致的讲解

思考：pos1++和pos2++的区别，这两个指针哪一个可以找到下一个元素的地址？？？

提示：曾经的顺序表和链表的关系。

cpp 复制代码 
void test_list2()
{
	list<int> lt;
	lt.push_back(10);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(5);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);
	lt.push_back(4);
	lt.push_back(6);
	lt.push_back(4);
	lt.push_back(0);

	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	lt.sort();
	// 迭代器功能分类
	// 1、单向  ++
	// 2、双向  ++  --  
	// 3、随机  ++  --  +  -
	//sort(lt.begin(), lt.end());
	for (auto e : lt)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

三、模拟实现list和搭建list的结构

1.节点结构

代码如下（示例）：

cpp 复制代码 
template<class T>//用到了类模板，由于我们想要插入任意类型的数据
struct list_node
{
	list_node<T>* _next;
	list_node<T>* _prev;
	T _data;

	list_node(const T& x = T())//对成员的默认初始化，这个也是一个匿名构造。
		:_next(nullptr)//初始化时将节点的下一个节点个下一个节点都置空
		, _prev(nullptr)
		, _data(x)//插入x
	{}
};

1.在c语言中，结构体用的是struct，而在c++中我们也可以使用，它和calss相似，如果在一个类里面不需要区分共有成员和私有成员，我们就可以用struct。因为都是自定义类型所以我们需要对它进行成员的初始化。

2.在这个节点中我们存在着后面对成员的访问权限问题，所以我们选择使用struct。

2.迭代器的详讲（这是和vector的区别）

代码如下（示例）：

cpp 复制代码 
// 1、迭代器要么就是原生指针
// 2、迭代器要么就是自定义类型对原生指针的封装，模拟指针的行为
template<class T, class Ref, class Ptr>//类模板可以有多个参数，T是原生类型，也就是普通类型
//ref是const类型，不可进行修改；ptr是指针类型。
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*()//对*的重载，返回为const类型。
	{
		return _node->_data;
	}

	Ptr operator->()//对->的重载，->用在对地址的访问，也就是见引用node地址处的date
	{
		return &_node->_data;
	}

	self& operator++()//这里的++是前置++，返回的类型是节点类型，而不是节点的指针，在C语言中是一个地址
	{
		_node = _node->_next;

		return *this;
	}

	self operator++(int)//后置++，+了一个int类型进行对前置++的区分
	{
		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& s)
	{
		return _node != s._node;
	}

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

1.类模板中提到过，一个模板可以有多个模板参数，每一个模板可以控制某一种类型。

2.我们的类模板功能非常强大，到我们想要写一个类，但是这个类要写两者类型时，我们需要写两个类出来，但是用了模板我们只需要加一个模板参数即可；

3."->"用于地址访问和见引用，而"."用于类的成员访问，二者都是见引用的作用。

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;
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);
}

因为在迭代器中我们的"*"重载即用了普通类型，也用了const类型，所以我们单独给它一个名字Ref，当我们用const类型迭代器时，传递过来的模板参数是const。这是*重载就是const类型。

3.list基础结构

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(const list<T>& lt)//拷贝构造
    {
    	empty_init();
    
    	list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
    	swap(tmp);
    }	
    void empty_init()
    {
    	_head = new node;
    	_head->_next = _head;
    	_head->_prev = _head;
    }
		list()//默认构造
		{
			empty_init();
		}
    template <class Iterator>
    list(Iterator first, Iterator last)//区间拷贝构造
    {
    	empty_init();
    
	    while (first != last)
	    {
	    	push_back(*first);
	    	++first;
	   }
	~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}
	private:
		node* _head;
	};

4.修改器

cpp 复制代码 
void swap(list<T>& tmp)//交换两个节点
{
	std::swap(_head, tmp._head);
}
void clear()//清空内容
{
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		//it = erase(it);
		erase(it++);
	}
}
void push_back(const T& x)//尾插
{
	/*node* tail = _head->_prev;
	node* new_node = new node(x);

	tail->_next = new_node;
	new_node->_prev = tail;
	new_node->_next = _head;
	_head->_prev = new_node;*/

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

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

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

void insert(iterator pos, const T& x)//任意位置插入
{
	node* cur = pos._node;
	node* prev = cur->_prev;

	node* new_node = new node(x);

	prev->_next = new_node;
	new_node->_prev = prev;
	new_node->_next = cur;
	cur->_prev = new_node;
}

iterator erase(iterator pos)//任意位置删除
{
	assert(pos != end());

	node* prev = pos._node->_prev;
	node* next = pos._node->_next;

	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;
	delete pos._node;

	return iterator(next);
}

有了insert函数，我们就不需要push_back和push_front函数了，erase也是；

四、测试list

cpp 复制代码 
	void test_list1()
	{
		const list<int> lt1;
		const int n = 10;
		//n = 11;

		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);

		// int*
		list<int>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			(*it) *= 2;
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		print_list(lt);
	}

	struct AA
	{
		int _a1;
		int _a2;

		AA(int a1 = 0, int a2 = 0)
			:_a1(a1)
			, _a2(a2)
		{}
	};

	void test_list2()
	{
		list<AA> lt;
		lt.push_back(AA(1, 1));
		lt.push_back(AA(2, 2));
		lt.push_back(AA(3, 3));

		// AA* ptr
		list<AA>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			//cout << (*it)._a1 << ":" << (*it)._a2 << endl;		
			cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl;
			//cout << it.operator->()->_a1 << ":" << it.operator->()->_a1 << endl;
			++it;
		}
		cout << endl;
	}

	void test_list3()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		auto pos = lt.begin();
		++pos;
		lt.insert(pos, 20);

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		lt.push_back(100);
		lt.push_front(1000);

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		lt.pop_back();
		lt.pop_front();

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}

	void test_list4()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		lt.clear();

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		lt.push_back(10);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(40);

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}

	void test_list5()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);
		lt.push_back(5);

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		list<int> lt2(lt);

		for (auto e : lt2)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		list<int> lt3;
		lt3.push_back(10);
		lt3.push_back(20);
		lt3.push_back(30);

		for (auto e : lt3)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		lt2 = lt3;

		for (auto e : lt2)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		for (auto e : lt3)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}

总结

迭代器中的类模板

修改器的insert和erase

了解list的基本结构

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