list模拟实现

迷失之语2024-05-01 16:51

本章我们来模拟实现一下list，深入了解一下list的底层运行原理！

目录

[1. list的模拟实现](#1. list的模拟实现)

[1.1 模拟实现list](#1.1 模拟实现list)

[1.2 list的反向迭代器](#1.2 list的反向迭代器)

[2. list与vector的对比](#2. list与vector的对比)

1. list 的模拟实现

1.1 模拟实现 list

要模拟实现list，必须要熟悉list的底层结构以及其接口的含义，通过之前的学习，这些内容已基本掌握，现在我们来模拟实现list。

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>

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

		ListNode<T>* _prev;
		ListNode<T>* _next;
		T _val;
	};

	/*
	List 的迭代器
	迭代器有两种实现方式，具体应根据容器底层数据结构实现：
	  1. 原生态指针，比如：vector
	  2. 将原生态指针进行封装，因迭代器使用形式与指针完全相同，因此在自定义的类中必须实现以下方法：
		 1. 指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()
		 2. 指针可以通过->访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载oprator->()
		 3. 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)
			至于operator--()/operator--(int)释放需要重载，根据具体的结构来抉择，双向链表可以向前             移动，所以需要重载，如果是forward_list就不需要重载--
		 4. 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()
	*/
	template<class T, class Ref, class Ptr>
	class ListIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;

		// Ref 和 Ptr 类型需要重定义下，实现反向迭代器时需要用到
	public:
		typedef Ref Ref;
		typedef Ptr Ptr;
	public:
		//
		// 构造
		ListIterator(Node* node = nullptr)
			: _node(node)
		{}

		//
		// 具有指针类似行为
		Ref operator*() 
		{ 
			return _node->_val;
		}

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

		//
		// 迭代器支持移动
		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;
		}

		//
		// 迭代器支持比较
		bool operator!=(const Self& l)const
		{ 
			return _node != l._node;
		}

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

		Node* _node;
	};

	template<class Iterator>
	class ReverseListIterator
	{
		// 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的一个类型，而不是静态成员变量
		// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量
		// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
	public:
		typedef typename Iterator::Ref Ref;
		typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
		typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
	public:
		//
		// 构造
		ReverseListIterator(Iterator it)
			: _it(it)
		{}

		//
		// 具有指针类似行为
		Ref operator*()
		{
			Iterator temp(_it);
			--temp;
			return *temp;
		}

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

		//
		// 迭代器支持移动
		Self& operator++()
		{
			--_it;
			return *this;
		}

		Self operator++(int)
		{
			Self temp(*this);
			--_it;
			return temp;
		}

		Self& operator--()
		{
			++_it;
			return *this;
		}

		Self operator--(int)
		{
			Self temp(*this);
			++_it;
			return temp;
		}

		//
		// 迭代器支持比较
		bool operator!=(const Self& l)const
		{
			return _it != l._it;
		}

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

		Iterator _it;
	};

	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> Node;

	public:
		// 正向迭代器
		typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;

		// 反向迭代器
		typedef ReverseListIterator<iterator> reverse_iterator;
		typedef ReverseListIterator<const_iterator> const_reverse_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();

			// 用l中的元素构造临时的temp,然后与当前对象交换
			list<T> temp(l.begin(), l.end());
			this->swap(temp);
		}

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

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

		///
		// List的迭代器
		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); 
		}

		reverse_iterator rbegin()
		{
			return reverse_iterator(end());
		}

		reverse_iterator rend()
		{
			return reverse_iterator(begin());
		}

		const_reverse_iterator rbegin()const
		{
			return const_reverse_iterator(end());
		}

		const_reverse_iterator rend()const
		{
			return const_reverse_iterator(begin());
		}

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

			return count;
		}

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

		void resize(size_t newsize, const T& data = T())
		{
			size_t oldsize = size();
			if (newsize <= oldsize)
			{
				// 有效元素个数减少到newsize
				while (newsize < oldsize)
				{
					pop_back();
					oldsize--;
				}
			}
			else
			{
				while (oldsize < newsize)
				{
					push_back(data);
					oldsize++;
				}
			}
		}
		
		// List的元素访问操作
		// 注意：List不支持operator[]
		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的插入和删除
		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(val);
			Node* pCur = pos._node;
			// 先将新节点插入
			pNewNode->_prev = pCur->_prev;
			pNewNode->_next = pCur;
			pNewNode->_prev->_next = pNewNode;
			pCur->_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)
		{
			// 找到待删除的节点
			Node* pDel = pos._node;
			Node* pRet = pDel->_next;

			// 将该节点从链表中拆下来并删除
			pDel->_prev->_next = pDel->_next;
			pDel->_next->_prev = pDel->_prev;
			delete pDel;

			return iterator(pRet);
		}

		void clear()
		{
			Node* cur = _head->_next;
			
			// 采用头删除删除
			while (cur != _head)
			{
				_head->_next = cur->_next;
				delete cur;
				cur = _head->_next;
			}

			_head->_next = _head->_prev = _head;
		}

		void swap(bite::list<T>& l)
		{
			std::swap(_head, l._head);
		}

	private:
		void CreateHead()
		{
			_head = new Node;
			_head->_prev = _head;
			_head->_next = _head;
		}
	private:
		Node* _head;
	};
}


///
// 对模拟实现的list进行测试
// 正向打印链表
template<class T>
void PrintList(const bite::list<T>& l)
{
	auto it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}

	cout << endl;
}

// 测试List的构造
void TestBiteList1()
{
	mylist::list<int> l1;
	mylist::list<int> l2(10, 5);
	PrintList(l2);

	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
	mylist::list<int> l3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	PrintList(l3);

	mylist::list<int> l4(l3);
	PrintList(l4);

	l1 = l4;
	PrintList(l1);
}

// PushBack()/PopBack()/PushFront()/PopFront()
void TestBiteList2()
{
	// 测试PushBack与PopBack
	mylist::list<int> l;
	l.push_back(1);
	l.push_back(2);
	l.push_back(3);
	PrintList(l);

	l.pop_back();
	l.pop_back();
	PrintList(l);

	l.pop_back();
	cout << l.size() << endl;

	// 测试PushFront与PopFront
	l.push_front(1);
	l.push_front(2);
	l.push_front(3);
	PrintList(l);

	l.pop_front();
	l.pop_front();
	PrintList(l);

	l.pop_front();
	cout << l.size() << endl;
}

// 测试insert和erase
void TestBiteList3()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	mylist::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));

	auto pos = l.begin();
	l.insert(l.begin(), 0);
	PrintList(l);

	++pos;
	l.insert(pos, 2);
	PrintList(l);

	l.erase(l.begin());
	l.erase(pos);
	PrintList(l);

	// pos指向的节点已经被删除，pos迭代器失效
	cout << *pos << endl;

	auto it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		it = l.erase(it);
	}
	cout << l.size() << endl;
}

// 测试反向迭代器
void TestBiteList4()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	mylist::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));

	auto rit = l.rbegin();
	while (rit != l.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;

	const mylist::list<int> cl(l);
	auto crit = l.rbegin();
	while (crit != l.rend())
	{
		cout << *crit << " ";
		++crit;
	}
	cout << endl;
}

1.2 list 的反向迭代器

通过前面例子知道，反向迭代器的++就是正向迭代器的-- ，反向迭代器的--就是正向迭代器的++ ，因此反向迭 代器的实现可以借助正向迭代器，即：反向迭代器内部可以包含一个正向迭代器，对正向迭代器的接口进行 包装即可。

cpp 复制代码 
template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{
     // 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的类型，而不是静态成员变     量
     // 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量
     // 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
public:
     typedef typename Iterator::Ref Ref;
     typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
     typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
public:
     //
     // 构造
     ReverseListIterator(Iterator it): _it(it){}
     //
     // 具有指针类似行为
     Ref operator*(){
         Iterator temp(_it);
         --temp;
         return *temp;
     }

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

     //
     // 迭代器支持移动

     Self& operator++(){
     --_it;
     return *this;
     }

     Self operator++(int){
         Self temp(*this);
         --_it;
         return temp;
     }

     Self& operator--(){
         ++_it;
         return *this;
     }

     Self operator--(int)
     {
         Self temp(*this);
         ++_it;
         return temp;
     }
     //
     // 迭代器支持比较
     bool operator!=(const Self& l)const{ return _it != l._it;}
     bool operator==(const Self& l)const{ return _it != l._it;}
     Iterator _it;
};

2. list 与 vector 的对比

vector与list都是STL中非常重要的序列式容器，由于两个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不 同，其主要不同如下：

|---------------------------------------------------|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|--------------------------------------------------------------|
| | vector | list |
| 底 层 结 构 | 动态顺序表， 一段连续空间 | 带头结点的双向循环链表 |
| 随 机 访 问 | 支持随机访问，访问某个元素效率 O(1) | 不支持随机访问，访问某个元素 效率 O(N) |
| 插 入 和 删 除 | 任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间 复杂 度为 O(N) ，插入时有可能需要增容，增容：开辟新空 间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低 | 任意位置插入和删除效率高，不需要搬移元素，时间复杂度为 O(1) |
| 空 间 利 用 率 | 底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利 用率 高，缓存利用率高 | 底层节点动态开辟，小节点容易 造成内存碎片，空间利用率低， 缓存利用率低 |
| 迭 代 器 | 原生态指针 | 对原生态指针 ( 节点指针 ) 进行封装 |
| 迭 代 器 失 效 | 在插入元素时，要给所有的迭代器重新赋值，因为 插入 元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效 ，删 除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效 | 插入元素不会导致迭代器失效，删除元素时，只会导致当前迭代器失效，其他迭代器不受影响 |
| 使 用 场 景 | 需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率 | 大量插入和删除操作，不关心随 机访问 |

本章完！

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