【C++】手撕list（list的模拟实现）

谁在夜里看海.2024-04-30 22:16

目录

01.节点

02.迭代器

迭代器运算符重载

03.list类

（1）构造与析构

（2）迭代器相关

（3）容量相关

（4）访问操作

（5）插入删除

我们在学习数据结构的时候，学过一个非常好用的结构，叫做带头双向循环链表，它不仅遍历非常地灵活方便，而且插入和删除操作的效率很高，弥补了单链表相较于数组的缺点。我们今天要讲的list模版底层就是带头双向循环链表。

01.节点

既然是链表，链表是由一个个节点组成的，每一个节点都需要独立开辟空间，节点之间通过指针进行连接，而双向循环链表的节点内部包含两个指针，一个指向下一个节点，一个指向上一个节点。

cpp 复制代码 
    // List的节点类
    template<class T>
    struct ListNode
    {
        ListNode(const T& val = T())
            : _prev(nullptr)
            , _next(bullptr)
            , _val(val)
        {}
        ListNode<T>* _prev;
        ListNode<T>* _next;
        T _val;
    };

这里用struct定义类是因为，struct定义的类内部成员默认为公有，而class定义的类内部成员默认私有，节点的参数需要支持外部访问，所以这里用struct定义。

02.迭代器

在vector中，迭代器通常是一个原生指针，因为vector内部是使用连续的内存块来存储数据的，所以可以直接用指针来表示迭代器。

但是list使用双向链表存储数据，其迭代器就不能只是指针了，而需要存储更多的数据，并且迭代器的加减等运算操作也需要重载。

迭代器运算符重载

1.*解引用：

使用 *iter 访问迭代器时，operator*() 返回的是 _node->_val 的引用，可以直接对返回值进行操作，就好像它是一个对象一样。

2.->成员访问：

使用迭代器的 -> 操作符时，实际上是先调用 operator->() 返回 _node->_val 的地址，然后对返回的地址进行成员访问。

3.迭代器++、--：

分为前置++与后置++：

前置++：

  • 调用前置++时，先将 _node 指向下一个节点。
  • 返回的是递增后的对象的引用。
  • 返回的引用允许对递增后的对象进行连续操作。

后置++：

  • 调用后置++时，先创建一个当前对象的副本 temp。
  • 将 _node 指向下一个节点。
  • 返回的是之前的对象的副本 temp。
  • 返回的副本 temp 保留了递增前的状态，允许在返回后继续使用递增前的对象。

--与++同理，只不过--是指向前一个节点，将" _node = _node->_next"改成" _node = _node->_prev"即可。

4.==运算符：

判断两个迭代器是否相等就是判断他们的节点是否相等。

cpp 复制代码 
//List的迭代器类
    template<class T, class Ref, class Ptr>
    class ListIterator
    {
        typedef ListNode<T> Node;
        typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
    public:
        ListIterator(Node* node = nullptr)
            : _node(node)
        {}

        ListIterator(const Self& l)
            : *this(l)
        {}

        T& operator*()
        {
            return _node->_val;
        }

        T* operator->()
        {
            return &(operator*());
        }

        Self& operator++()
        {
            _node = _node->_next;
            return *this;
        }

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

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

        Self& operator--(int)
        {
            Self temp(*this);
            _node = _node->_prev;
            return temp;
        }

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

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

    private:
        Node* _node;
    };

03.list类

（1）构造与析构

在创建一个list实例时，首先需要创建一个头节点，不存储任何有效数据。用于简化链表的操作，以及提供一种统一的操作方式。

cpp 复制代码 
    private:
        void CreateHead()
        {
            _head = new node;
            _head->_prev = _head;
            _head->_next = _head;
        }
        Node* _head;
    };

list的构造分为无参构造、实例化构造、迭代器构造、拷贝构造等等。

无参构造：

只需要创建一个头节点，CreateHead()已经完成了初始化，就不需要默认构造了

cpp 复制代码 
        list()
        {
            CreateHead();
        }

实例化构造：

实例化n个value元素，在head节点后面插入n个value元素。

cpp 复制代码 
        list(int n, const T& value = T())
        {
            CreateHead();
            for (int i = 0; i < n; ++i) {
                push_back(value);
            }
        }

迭代器构造：

利用迭代器对拷贝源进行遍历，在head节点后面不断插入数据。

cpp 复制代码 
        template <class Iterator>
        list(Iterator first, Iterator last)
        {
            CreateHead();
            while (first != last) {
                push_back(*first);
                ++first;
            }
        }

拷贝构造：

复制一个拷贝源副本，然后赋值给目标容器。

cpp 复制代码 
        list(const list<T>& l)
        {
            CreateHead();
            //_head = l->_head;//浅拷贝
            list temp<T>(l.begin(), l.end());
            this->swap(temp);
        }

重载=：

创建赋值源的副本并作为返回值返回。

cpp 复制代码 
        list<T>& operator=(const list<T> l)
        {
            list temp<T>(l.begin(), l.end());
            return *temp;
        }

析构：

由于list内部数据存储地址是分散的，析构时要对每一个节点单独进行空间释放，这里我们可以用头删的方法，头节点保留，依次删除头节点指向的首元素节点，并改变指向，这样就可以遍历容器达到析构效果。

cpp 复制代码 
        void clear()
        {
            Node cur = _head;
            while (cur != _head)
            {
                _head->_next = cur->_next;
                delete cur;
                cur = _head->_next;
            }
            _head->_next = _head->_prev = _head;
        }

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

（2）迭代器相关

我们需要定义定义 begin() 和 end() 函数，用于返回指向链表开头和结尾的迭代器。

begin() 函数返回的迭代器指向链表的第一个有效节点，即头节点 _head 的下一个节点 _head->_next。因为头节点 _head 不存储有效数据，而是作为链表的辅助节点。

end() 函数返回的迭代器指向链表的结尾，即头节点 _head。因为在list中，尾节点指向的下一个节点就是头节点 _head。

cpp 复制代码 
        // List 迭代器
        iterator begin()
        {
            return iterator(_head->_next);
        }

        iterator end()
        {
            return iterator(_head);
        }

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

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

（3）容量相关

size()函数：

要想知道list容器中的数据个数，就需要遍历全部节点，因为是循环链表，遍历到_head头节点时即表示遍历完毕。

cpp 复制代码 
        size_t size()const
        {
            size_t count = 0;
            Node* cur = _head->_next;
            while (cur != _head)
            {
                ++count;
                cur = cur->_next;
            }
            return count;
        }

empty()函数：

容器为空的判定条件是：头结点的两个指针都指向自己，即为初始化状态。

cpp 复制代码 
        bool empty()const
        {
            return _head->_next == _head;
        }

（4）访问操作

front() 和 back() 函数，分别用于获取链表的第一个元素和最后一个元素。这是直接获取元素的值，而 begin() 和 end() 函数是获取地址。

cpp 复制代码 
        T& front()
        {
            return _head->_next->_val;
        }

        const T& front()const
        {
            return _head->_next->_val;
        }

        T& back()
        {
            return _head->_prev->_val;
        }

        const T& back()const
        {
            return _head->_prev->_val;
        }

注意：想要对const类型进行函数重载，函数后面必须加上const关键字，才能构成重载。

（5）插入删除

插入和删除分为头插、头删；尾插、尾删；在pos位置前插入和删除。

由于前两种可以看做是第三种的特殊情况，所以只需要具体实现第三种即可。

在pos位置前插入：

首先需要创建一个新节点newNode，newNode 的 _prev 指向 rightNode 的 _prev ，newNode 的 _next 指向 leftNode 的 _next

再将 rightNode 的 _prev 、leftNode 的 _next 都指向 newNode ，就完成了插入操作，插入完成后需要返回插入位置的迭代器。

cpp 复制代码 
        // 在pos位置前插入值为val的节点
        iterator insert(iterator pos, const T & val)
        {
            Node* _pnewnode = new Node;
            Node* cur = pos._node;
            _pnewnode->_val = val;
            _pnewnode->_next = cur;
            _pnewnode->_prev = cur->_prev;
            cur->_prev = _pnewnode;
            return iterator(_pnewnode);
        }

删除pos位置的节点：

首先将leftNode 的 _next 指向 rightNode ，rightNode 的 _prev 指向 leftNode。

然后对pos位置节点进行空间释放。

cpp 复制代码 
        // 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
        iterator erase(iterator pos)
        {
            Node* pDel = pos._node;
            Node* pRet = pos._node->_next;
            pDel->_prev->_next = pDel->_next;
            pRet->_prev = pDel->_prev;
            delete pDel;
            return iterator(pRet);
        }

头插头删就是在首元素节点前插入节点；尾插尾删就是删除头结点_prev指向的节点，是上述插入删除操作的实例：

cpp 复制代码 
        // List 插入和删除
        void push_back(const T& val) 
        { 
            insert(end(), val);
        }

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

        void push_front(const T& val) 
        {
            insert(begin(), val);
        }

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

最后附上完整代码：

cpp 复制代码 
#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;

namespace My
{
    // List的节点类
    template<class T>
    struct ListNode
    {
        ListNode(const T& val = T())
            : _prev(nullptr)
            , _next(bullptr)
            , _val(val)
        {}
        ListNode<T>* _prev;
        ListNode<T>* _next;
        T _val;
    };


    //List的迭代器类
    template<class T, class Ref, class Ptr>
    class ListIterator
    {
        typedef ListNode<T> Node;
        typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
    public:
        ListIterator(Node* node = nullptr)
            : _node(node)
        {}

        ListIterator(const Self& l)
            : *this(l)
        {}

        T& operator*()
        {
            return _node->_val;
        }

        T* operator->()
        {
            return &(operator*());
        }

        Self& operator++()
        {
            _node = _node->_next;
            return *this;
        }

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

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

        Self& operator--(int)
        {
            Self temp(*this);
            _node = _node->_prev;
            return temp;
        }

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

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

    private:
        Node* _node;
    };


    //list类
    template<class T>
    class list
    {
        typedef ListNode<T> Node;
    public:
        typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
        typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;
    public:
        ///
        // List的构造
        list()
        {
            CreateHead();
        }

        list(int n, const T& value = T())
        {
            CreateHead();
            for (int i = 0; i < n; ++i) {
                push_back(value);
            }
        }

        template <class Iterator>
        list(Iterator first, Iterator last)
        {
            CreateHead();
            while (first != last) {
                push_back(*first);
                ++first;
            }
        }

        list(const list<T>& l)
        {
            CreateHead();
            //_head = l->_head;//浅拷贝
            list temp<T>(l.begin(), l.end());
            this->swap(temp);
        }

        list<T>& operator=(const list<T> l)
        {
            list temp<T>(l.begin(), l.end());
            return *temp;
        }

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


        ///
        // List 迭代器
        iterator begin()
        {
            return iterator(_head->_next);
        }

        iterator end()
        {
            return iterator(_head);
        }

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

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


        ///
        // List 容量相关
        size_t size()const
        {
            size_t count = 0;
            Node* cur = _head->_next;
            while (cur != _head)
            {
                ++count;
                cur = cur->_next;
            }
            return count;
        }

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


        
        // List 元素访问操作
        T& front()
        {
            return _head->_next->_val;
        }

        const T& front()const
        {
            return _head->_next->_val;
        }

        T& back()
        {
            return _head->_prev->_val;
        }

        const T& back()const
        {
            return _head->_prev->_val;
        }


        
        // List 插入和删除
        void push_back(const T& val) 
        { 
            insert(end(), val);
        }

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

        void push_front(const T& val) 
        {
            insert(begin(), val);
        }

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

        // 在pos位置前插入值为val的节点
        iterator insert(iterator pos, const T & val)
        {
            Node* _pnewnode = new Node;
            Node* cur = pos._node;
            _pnewnode->_val = val;
            _pnewnode->_next = cur;
            _pnewnode->_prev = cur->_prev;
            cur->_prev = _pnewnode;
            return iterator(_pnewnode);
        }

        // 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
        iterator erase(iterator pos)
        {
            Node* pDel = pos._node;
            Node* pRet = pos._node->_next;
            pDel->_prev->_next = pDel->_next;
            pRet->_prev = pDel->_prev;
            delete pDel;
            return iterator(pRet);
        }

        void clear()
        {
            Node cur = _head;
            while (cur != _head)
            {
                _head->_next = cur->_next;
                delete cur;
                cur = _head->_next;
            }
            _head->_next = _head->_prev = _head;
        }

        void swap(list<T>& l)
        {
            std::swap(_head, l._head);
        }
    private:
        void CreateHead()
        {
            _head = new node;
            _head->_prev = _head;
            _head->_next = _head;
        }
        Node* _head;
    };
};

那么以上就是list的模拟实现了，欢迎在评论区留言，觉得这篇博客对你有帮助的可以点赞关注收藏支持一波喔~😉

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