C++ list链表的使用和简单模拟实现

萧瑟其中～2024-06-06 8:43

目录

前言

[1. list的简介](#1. list的简介)

2.list讲解和模拟实现

[2.1 默认构造函数和push_back函数](#2.1 默认构造函数和push_back函数)

[2.2 迭代器实现](#2.2 迭代器实现)

[2.2.1 非const正向迭代器](#2.2.1 非const正向迭代器)

[2.2.2 const正向迭代器](#2.2.2 const正向迭代器)

[2.2.3 反向迭代器](#2.2.3 反向迭代器)

[2.3 插入删除函数](#2.3 插入删除函数)

[2.3.1 insert和erase](#2.3.1 insert和erase)

[2.3.2 push_back pop_back push_front pop_front](#2.3.2 push_back pop_back push_front pop_front)

[2.4 构造函数，赋值拷贝函数，析构函数](#2.4 构造函数，赋值拷贝函数，析构函数)

总结

前言

这篇文章讲述常用容器list的使用和一些重要部分的简单模拟实现，仅仅只是了解一些实现方法。内容丰富，干货多多。

1. list的简介

  1. list是序列容器，允许在序列内的任何位置进行常量时间的插入和删除操作，以及两个方向的迭代。
  2. 列表容器被实现为双链表;双链表中每个元素存储在互不相关的几点钟，在节点中通过指针指向其前一个元素和后一个元素。
  3. 它们与forward_list非常相似:主要区别在于forward_list对象是单链表，因此它们只能向前迭代，让其更简单高效。
  4. 与其他基本标准序列容器(array、vector和deque)相比，列表在容器内的任何位置插入、提取和移动元素方面通常表现更好。
  5. 与其他序列容器相比，列表和forward_lists的主要缺点是它们无法通过位置直接访问元素;例如，要访问列表中的第八个元素，必须从已知位置(如开始或结束)迭代到该位置，这需要在两者之间的距离上花费线性时间。它们还消耗一些额外的内存来保存与每个元素相关联的链接信息(对于包含小元素的大型列表来说，这可能是一个重要因素)。
  • 下面是展示list类的内部成员变量结构，并且之后要简单模拟实现，所以加上一个命名空间，防止与库中list起冲突。
  • list即是双向链表结构，我们使用模版定义一个ListNode类，内部成员变量有两个指针，指向前一个元素和后一个元素，还有存储T类型的元素。在list类中，我们可以使用typedef简化LIstNode<T>成Node。Node类型的指针变量_head，代表第一个哨兵位结点，不存放元素。
  • 其中ListNode使用struct而不用class，因为struct默认权限是公有的，且ListNode类里面的所有内容list都会使用到，所以直接用struct定义这个类。
cpp 复制代码 
namespace User
{
    template<class T>
    struct ListNode
    {
        ListNode*<T> _next;
        ListNode*<T> _prev;
        T _data;
        //...
    };

    template<class T>
    class list
    {
        typedef ListNode<T> Node; 
        //...
    private:
        Node* _head;
    };    
}

2.list讲解和模拟实现

2.1 默认构造函数和push_back函数

默认构造函数构造一个只含有哨兵位结点的链表，并且哨兵位结点的的两个指针指向自身。我们暂时使用库里的list，先创建一个int类型的list容器，调用的是默认构造函数，之后尾插几个整数。遍历整个链表一般使用迭代器，还可以使用范围for。因为物理结构是不连续的，不支持使用下标方括号遍历链表。

cpp 复制代码 
list();//默认构造函数

void test_list1()
{
    std::list<int> lt1;
    lt1.push_back(1);
    lt1.push_back(2);
    lt1.push_back(3);
    lt1.push_back(4);

    list<int>::iterator it1 = lt1.begin();
    while (it1 != lt1.end())
    {
        cout << *it1 << " ";
        ++it1;
    }
    cout << endl;

    for (const auto& e : lt1)
    {
        cout << e << " ";
    }
    cout << endl;
}

运行结果如下：

  • 实现一个list的默认构造函数，使用new动态开辟一个Node类型元素的内存空间，传入一个T类型的值调用LIstNode类的构造函数。下面写的是T()表示如果是自定义类型，就调用该自定义类型的构造函数，如果是内置类型，会初始化一个该类型的值，整型一般初始化为0。
  • 既然list构造函数中调用了LIstNode类的构造函数，LIstNode的构造函数也需要实现。构造函数的参数是const修饰的T类型引用的data变量，顺便给上一个缺省值T()，跟上面的用法相同。
  • push_back函数先动态开辟一个新结点，传入x初始化。然后再改变结点指向的位置即可。
cpp 复制代码 
template<class T>
struct ListNode 
{
    ListNode*<T> _next;
    ListNode*<T> _prev;
    T _data;
    
    ListNode(const T& data = T())
        :_next(nullptr)
        ,_prev(nullptr)
        ,_data(data)
    {}    
};

template<class T>
class list
{
    typedef ListNode<T> Node; 
public:
    list()
    {
        _head = new Node(T());
        _head->_next = _head;
        _head->_prev = _head;
    }

    void push_back(const T& x)
    {
		Node* newnode = new Node(x);
		Node* tail = _head->_prev;

		// head tail newnode
		tail->_next = newnode;
		newnode->_prev = tail;

		newnode->_next = _head;
		_head->_prev = newnode;
	}
    
private:
    Node* _head;
};

2.2 迭代器实现

2.2.1 非const正向迭代器

list因本身物理空间不连续，需要通过结点存储前后元素地址，进行访问。那么list的迭代器需要封装成一个类，重载前置++，后置--，!=，==，*等符号。

cpp 复制代码 
template<class T>
struct ListIterator
{
	typedef ListNode<T> Node;
	typedef ListIterator<T> Self;
	Node* _node;
    //...
};
  • typedef可以帮我们简化类名称，方便之后使用，重命名ListNode<T>类为Node，还有将ListIterator<T>类重命名为Self。
cpp 复制代码 
    ListIterator(Node* node)
		:_node(node)
	{}
  • 构造函数实现一个有参的构造函数，使用初始化列表初始化_node。
cpp 复制代码 
template<class T>
class list
{
	typedef ListNode<T> Node;

public:
	typedef ListIterator<T> iterator;

	iterator begin()
	{
		//iterator it(_head->_next);
		//return it
        //下面是隐士类型转换调用
		return iterator(_head->_next);
	}

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

};
  • 在list中提供begin和end函数，对迭代器进行初始化，或者遍历时做判断。
  • begin函数中，可以先创建一个iterator对象，再返回该对象。也可以直接使用匿名对象，内部传结点参数，进行隐式类型转换。
  • end函数提供最后一个元素的下一个位置，所以用哨兵位结点进行构造。
cpp 复制代码 
	// ++it 前置
	Self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}

	// it++ 后置
	Self operator++(int)
	{
		Self tmp(*this);
		_node = _node->_next;

		return tmp;
	}

    // --it 前置
	Self& operator--()
	{
		_node = _node->_prev;
		return *this;
	}
  • 前置++，表示访问后一个元素，让_node赋值为_next指针即可。返回类型使用Self的引用，不用再次拷贝，更高效，记得要返回*this。
  • 后置++，返回当前的位置，但是迭代器自身指向下一个元素。创建一个Self类型的tmp变量对*this进行拷贝构造，然后自身赋值为下一个结点指针，返回tmp。
  • 前置--，表示访问前一个元素。做法跟前置++类似，让_node赋值为它的_prev指针即可。也是使用Self引用类型返回。
cpp 复制代码 
    T& operator*()
	{
		return _node->_data;
	}
  • *符号，表示要解引用到Node类型存储的元素。返回类型使用T类型的引用，直接返回data的别名，减少拷贝。
cpp 复制代码 
	bool operator!=(const Self& it)
	{
		return _node != it._node;
	}

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

  • !=和==可直接返回两个迭代器结点地址比较结果。

  • ->符号比较特别，表示当前结点元素数据的地址，可以像结构体->一样使用。

cpp 复制代码 
	T* operator->()
	{
		return &_node->_data;
	}

虽然operator->看起来比较奇特，但是也有它的应用场景。

  • 看下面的代码，我们定义一个Pos，Pos是表示坐标位置的类。我们创建一个数据类型为Pos的list容器，尾插三个Pos类对象数据。
  • 使用迭代遍历。如果在while循环使用*it，进行打印，程序会报错，这是因为Pos类没有匹配的cout流插入函数，在全局作用域下也没有重载cout函数。
  • 所以可以用(*it)._row这样的方式打印两个整型坐标，*符号返回的是结点的数据别名，在这里是Pos类变量的别名，我们可以用.符号进行打印，但是看起来太别扭了。
  • 重载的->就派上用场了，我们使用->就像结构体指针访问内部对象。不过正常来说应该是两个->符号，代码中有展开示例。为了可读性，只用写一个->符号就可以使用。
cpp 复制代码 
struct Pos
{
	int _row;
	int _col;

	Pos(int row = 0, int col = 0)
		:_row(row)
		, _col(col)
	{}
};

void test_list2()
{
	list<Pos> lt1;
	lt1.push_back(Pos(100, 100));
	lt1.push_back(Pos(200, 100));
	lt1.push_back(Pos(300, 100));

	//临时对象可以调用非静态成员函数，但是不能引用定义
	list<Pos>::iterator it = lt1.begin();
	while (it != lt1.end())
	{
        //cout<< *it <<endl;//error,这样写无法运行成功。

		//可以这样写但是太别扭了
		//cout << (*it)._row << ":" << (*it)._col << " ";

		//为了可读性，省略了一个->
		cout << it->_row << ":" << it->_col << " " << endl;

		//cout << it->->_row << ":" << it->->_col << " "; 展开就成了下面的样子
		cout << it.operator->()->_row << ":" << it.operator->()->_col << " "<< endl;
		++it;
	}
	cout << endl;
}

运行结果如下：

2.2.2 const正向迭代器

  • 非const对象的迭代器迭代器指向的元素可以修改，但是有时候容器内部元素加上const修饰，不可以修改。因此，还要提供const类型的迭代器。我们可以使用上面的代码，只要将operator*和operator->函数的返回类型加上const修饰就行。
cpp 复制代码 
template<class T>
struct ListIterator
{
	typedef ListNode<T> Node;
	typedef ListIterator<T> Self;

	Node* _node;

	ListIterator(Node* node = Node())//默认构造
		:_node(node)
	{}

	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;
	}

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

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

	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 ListIterator<T> const_iterator;

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

	const_iterator end() const
	{
		return const_iterator(_head);
	}
    
    //...
};
  • 但是这两类迭代器就只有operator*和operator->函数的返回类型不同而已，返回类型上有区别，其实我们可以借助模版解决。
  • 只需要在定义两个模版类型参数Ref和Ptr，分别表示引用和指针，在list中分别传不同的参数表示iterator和const_iterator。
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())//默认构造
			:_node(node)
		{}

		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;
		}

		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}

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

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

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

		iterator begin()
		{
			return iterator(_head->_next);
		}

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

2.2.3 反向迭代器

反向迭代器的模拟实现和正向迭代器类似，需要注意++和--跟正向迭代器的的方向完全反过来，还要注意迭代器begin和end函数给的结点位置。

cpp 复制代码 
	template<class T, class Ref, class Ptr>
	struct Reverse_ListIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef Reverse_ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
		Node* _node;

		Reverse_ListIterator(Node* node)
			:_node(node)
		{}

		Self& operator++()//前置++，赋值为前面的结点的指针
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		Self operator++(int)//后置++
		{
			Self tmp(_node);
			_node = _node->_prev;

			return tmp;
		}

		Self& operator--()
		{
			_node = _node->_next;

			return *this;
		}

		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}

		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 Reverse_ListIterator<T, T&, T*> reverse_iterator;
	typedef Reverse_ListIterator<T, const T&, const T*> reverse_const_iterator;

	reverse_const_iterator rbegin() const
	{
		return reverse_const_iterator(_head->_prev);
	} 

	reverse_const_iterator rend() const
	{
		return reverse_const_iterator(_head);
	}

	reverse_iterator rbegin()
	{
		return reverse_iterator(_head->_prev);
	}

	reverse_iterator rend()
	{
		return reverse_iterator(_head);
	}
    //...
};

2.3 插入删除函数

2.3.1 insert和erase

  • insert函数是在指定结点位置前插入一个新的结点。需要改变各个结点的指向问题，可以创建几个变量表示结点。
  • 因为该函数传入的参数类型是迭代器，所以还要考虑迭代器失效的问题。解决方法是返回指向新结点位置的迭代器类型的变量。下面采用的是匿名对象。
cpp 复制代码 
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	Node* cur = pos._node;
	Node* newnode = new Node(x);
	Node* prev = cur->_prev;

	//prev newnode cur
	prev->_next = newnode;
	newnode->_prev = prev;

	newnode->_next = cur;
	cur->_prev = newnode;

	return iterator(newnode);
}
  • erase函数是删除传入的迭代器变量指向的结点。也可以创建几个变量表示结点，改变各个结点的指向问题。
  • 返回类型也是迭代器，返回的是被删除结点的下一个结点迭代器类型变量。
cpp 复制代码 
//erase后Pos失效，因为被释放了
iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos != end());

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

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

	delete cur;
	return iterator(next);
}

2.3.2 push_back pop_back push_front pop_front

完成了对insert和erase函数的实现，头部或者尾部插入和删除的函数都可以复用这两个函数。

  • push_back函数是在尾部插入一个结点，insert是在指向结点前插入新结点，因为end函数是哨兵位结点，在它前面插入新结点就是尾插，所以传end函数作为迭代器即可。
  • pop_back函数是删除最后一个结点，最后一个结点在哨兵位结点之前，即end函数所代表的迭代器，所以需要--。
  • push_front和pop_front同理。
cpp 复制代码 
void push_back(const T& x)
{
    insert(end(), x);
}

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

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

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

写一个测试函数

cpp 复制代码 
void Func(const list<int>& lt)
{
	list<int>::const_iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

void test_list3()
{
	list<int> lt1;
	//按需实例化
	lt1.push_back(1);
	lt1.push_back(2);
	lt1.push_back(3);
	lt1.push_back(4);
	lt1.push_back(5);
	Func(lt1);

	lt1.push_front(10);
	lt1.push_front(20);
	lt1.push_front(30);
	Func(lt1);

	lt1.pop_back();
	lt1.pop_back();
	lt1.pop_back();
	Func(lt1);

	lt1.pop_front();
	lt1.pop_front();
	lt1.pop_front();
	Func(lt1);
}

运行结果如下：

2.4 构造函数，赋值拷贝函数，析构函数

构造函数这块，有四种类型，默认构造，initializer初始化器构造，迭代器区间构造和拷贝构造。

  • 首先，封装一个创建哨兵位头结点的函数，因为后面的构造函数都需要用到。再写一个遍历打印整个链表的函数。
  • 默认构造函数直接调用empty_init函数，初始化一个头结点。
cpp 复制代码 
void Printlist(const list<int> lt)
{
    for (const auto& e: lt1)
    {
        cout << e << " ";    
    }
    cout << endl;
}

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

list()
{
	empty_init();
}
  • initializer_list函数是针对花括号内部有相同类型的构造函数
cpp 复制代码 
list(initializer_list<T> il)
{
	empty_init();
	for (const auto& e : il)
	{
		push_back(e);
	}

}

void test1()
{
    list<int> lt1 = { 1,2,3,4,5,6,7,8 };
    
    Printlist(lt1);
}
  • 需要注意判断条件只能是!=，不能是<之类的符号。
cpp 复制代码 
template <class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
	empty_init();
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		++first;
	}
}

void test2()
{
    list<int> lt1 = { 1,2,3,4,5,6,7,8 };
    Printlist(lt2);
    
    list<int> lt2(lt1.begin(), lt2.end());
    Printlist(lt2);
}
  • 拷贝构造函数，可以使用范围for尾插元素实现。
cpp 复制代码 
//lt1(lt2)
list(const list<T>& lt)
{
    empty_init();
    for (const auto& e : lt)
    {
        push_back(e);
    }
}

void test3()
{
	list<int> lt1;
	lt1.push_back(1);
	lt1.push_back(2);
	lt1.push_back(3);
	lt1.push_back(4);
    Printlist(lt2);

    list<int> lt2(lt1);
    Printlist(lt2);
}
  • 赋值拷贝函数可以先删除原链表的结点，然后再一个个尾插结点。
  • 但是更好的方法就是用正常模版类型参数list接受被拷贝对象，此时的lt就是待拷贝对象的一份临时拷贝，然后使用交换函数交换头结点，因为lt是一份临时拷贝，函数结束后会自动调用析构函数销毁原链表的内容。
cpp 复制代码 
//lt1 = lt3
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
    std::swap(_head, lt._head);
    return *this;
}

void test3()
{
	list<int> lt1;
	lt1.push_back(1);
	lt1.push_back(2);
	lt1.push_back(3);
	lt1.push_back(4);
    Printlist(lt2);

    list<int> lt2;
    lt2 = lt1;
    Printlist(lt2);
}
  • 析构函数需要先一个个释放结点，再释放头结点。
cpp 复制代码 
void clear()
{
    auto it = begin();
    while (it != end())
    {
        it = erase(it);
        ++it;
    }
}

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

总结

看完整篇文章，我相信你对list的使用和一些底层实现原理有进一步的了解，你也可以尝试自己手撕一个简单的list容器实现。树欲静而风不止，既然我们无法改变大势，但是我们可以改变自己！

创作不易，希望这篇文章能给你带来启发和帮助，如果喜欢这篇文章，请留下你的三连，你的支持的我最大的动力！！！

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