【C++】list模拟实现

流浪者与猴2024-06-15 5:05

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目录

导读

[1. vector与list的区别](#1. vector与list的区别)

[2. 模拟实现](#2. 模拟实现)

[2.1 三个基本类](#2.1 三个基本类)

[2.2 节点类实现](#2.2 节点类实现)

[2.3 迭代器类实现](#2.3 迭代器类实现)

2.3.1基础实现及构造函数

[2.3.2 operator*](#2.3.2 operator*)

[2.3.3 operator->](#2.3.3 operator->)

[2.3.4 operator前置++和后置++](#2.3.4 operator前置++和后置++)

[2.3 5 operator前置--和后置--](#2.3 5 operator前置--和后置--)

[2.3.6 operator!=和operator==](#2.3.6 operator!=和operator==)

[2.4 list功能类实现](#2.4 list功能类实现)

[2.4.1 基础实现](#2.4.1 基础实现)

[2.4.2 构造函数](#2.4.2 构造函数)

[2.4.3 begin()和end()](#2.4.3 begin()和end())

[2.4.4 拷贝构造函数](#2.4.4 拷贝构造函数)

[2.4.5 赋值运算符重载](#2.4.5 赋值运算符重载)

[2.4.6 insert（）](#2.4.6 insert（）)

[2.4.7 push_back（）](#2.4.7 push_back（）)

[2.4.8 push_front（）](#2.4.8 push_front（）)

[2.4.9 erase（）](#2.4.9 erase（）)

[2.4.10 pop_back（）](#2.4.10 pop_back（）)

[2.4.11 pop_front（）](#2.4.11 pop_front（）)

[2.4.12 clear（）](#2.4.12 clear（）)

[2.4.13 析构函数](#2.4.13 析构函数)

[2.4.14 size（）](#2.4.14 size（）)

[2.4.15 empty（）](#2.4.15 empty（）)

[3. 代码整理](#3. 代码整理)

[3.1 list.h](#3.1 list.h)

[3.2 test.cpp](#3.2 test.cpp)

导读

我们刚刚学习了list的一些基本的使用，现在我们来尝试着模拟实现一下。

需要注意的是，我们需要写三个类来进行模拟实现。

1. vector与list的区别

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

2. 模拟实现

2.1 三个基本类

真正实现list，我们需要完成三个类：

  1. 节点类
  2. 迭代器类
  3. list功能类

为什么要写三个类？

我们在上面与vector的对比中了解到，list的空间不是连续的，节点类是好理解的，因为每个节点都有前驱指针、后驱指针以及数据，设定节点类更方便我们进行管理。也正是因为list每个节点空间并不是连续的，所以它的迭代器并不像vector或是string那样可以直接使用，而是需要我们自己来实现它，以便于让它++或是--能访问到下一个节点。

2.2 节点类实现

在节点类中，有三个成员变量：

  1. _prev：指向前一个节点的指针。
  2. _next：指向后一个节点的指针。
  3. _data：节点的数据。

节点类有一个默认构造函数，默认参数为T()，其中T是模板类型。构造函数初始化了成员变量，将_prev和_next指针置为nullptr，_data置为给定的值（默认为类型T的默认值）。

当 T 被具体化为 int 时，ListNode<int>* 就是指向 ListNode<int> 类型对象的指针，类似于 int* 是指向 int 类型对象的指针。

cpp 复制代码 
	//节点类实现
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode<T>* _prev;//C++中可省略了struct
		ListNode<T>* _next;
		T _data;

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

2.3 迭代器类实现

2.3.1基础实现及构造函数

代码中定义了三个模板参数：T 表示节点中存储的数据类型，Ref 表示引用类型，Ptr 表示指针类型。Node* _node 是指向当前节点的指针。

ListIterator(Node* node) 是构造函数，用于初始化迭代器对象。它接受一个参数 node，表示要遍历的节点。

cpp 复制代码 
//迭代器类实现
	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)
		{}
    }

通过使用模板参数，可以实现在不同类型的节点上使用相同的迭代器类。例如，可以用 ListIterator<int, int&, int*> 来遍历存储 int 类型数据的链表，或者用 ListIterator<string, string&, string*> 来遍历存储 string 类型数据的链表。

2.3.2 operator*

cpp 复制代码 
		//*it（调用的是函数，返回节点中的值）
		//T& operator*()
		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

2.3.3 operator->

这个重载是服务于自定义类型的，比如Date类，如果需要访问Date类中的元素则需

cpp 复制代码 
list<Date>::iterator it;   
it->Date->data;
cpp 复制代码 
		//it->           自定义类型需要
		//T* operator->()
		//list<Date>::iterator it;   it->Date->data;
		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}

2.3.4 operator前置++和后置++

cpp 复制代码 
		//++it 迭代器++本质就是指针往后移，加完后还应是个迭代器
		Self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}


		//it++
		Self operator++(int)//加参数方便区分前置++和后置++
		{
			Self tmp(*this);//拷贝构造，记录当前节点
			_node = _node->_next;
			return tmp;//因为是先使用再++，所以返回原先节点方便使用
		}

2.3 5 operator前置--和后置--

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;
		}

2.3.6 operator!=和operator==

cpp 复制代码 
		//it != end()
		bool operator!=(const Self& it)
		{
			return _node != it._node;
		}

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

2.4 list功能类实现

2.4.1 基础实现

cpp 复制代码 
	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;
	private:
		Node* _head;//头节点
		size_t _size;
	};

2.4.2 构造函数

对哨兵位的头结点_head进行初始化

cpp 复制代码 
		void empty_init()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;

			_size = 0;
		}
		//构造函数
		list()
		{
			empty_init();
		}

2.4.3 begin()和end()

begin的作用是返回第一个位置的结点的迭代器，而第一个结点就是哨兵位头结点的下一个结点。

end的作用就是返回最后一个有效数据的下一个位置的迭代器，而这里对于list指的就是头结点_head的位置。

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

		iterator end()
		{
			return _head;
		}

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

		const_iterator end() const
		{
			return _head;
		}

2.4.4 拷贝构造函数

cpp 复制代码 
		// lt2(lt1)拷贝构造
		list(const list<T>& lt)
		{
			empty_init();
            //遍历lt1，把lt1的元素push_back到lt2里头
			for (auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}

2.4.5 赋值运算符重载

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

		//lt1 = lt2
		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}

2.4.6 insert（）

  1. 获取要插入位置的迭代器pos所指向的节点cur。
  2. 创建一个新的节点newnode，并将其数据值初始化为传入的参数val。
  3. 获取当前节点cur的前一个节点prev。
  4. 将新节点newnode插入到当前位置：
    • 将前一个节点的下一个节点指针_next指向新节点newnode。
    • 将新节点的前一个节点指针_prev指向前一个节点。
    • 将新节点的下一个节点指针_next指向当前节点cur。
    • 将当前节点的前一个节点指针_prev指向新节点newnode。
  5. 增加链表的大小_size。
cpp 复制代码 
		void insert(iterator pos, const T& val)
		{
			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;
			_size++;
		}

2.4.7 push_back（）

法一：

  1. 创建一个新的节点newnode，并将其数据值初始化为传入的参数x。
  2. 获取链表的尾节点tail，即链表头节点的前一个节点。
  3. 将新节点newnode插入到链表尾部：
    • 将尾节点的下一个节点指针_next指向新节点newnode。
    • 将新节点的前一个节点指针_prev指向尾节点。
    • 将新节点的下一个节点指针_next指向链表头节点。
    • 将链表头节点的前一个节点指针_prev指向新节点newnode。
cpp 复制代码 
		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;
		}

法二：

直接调用insert（）函数

cpp 复制代码 
		void push_back(const T& x)
		{
			insert(end(), x);
		}

2.4.8 push_front（）

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

2.4.9 erase（）

  1. 首先判断传入的迭代器pos是否指向链表的末尾，如果是，则抛出异常。
  2. 获取要删除位置的迭代器pos所指向的节点cur。
  3. 获取当前节点cur的前一个节点prev和后一个节点next。
  4. 将前一个节点的下一个节点指针_next指向后一个节点。
  5. 将后一个节点的前一个节点指针_prev指向前一个节点。
  6. 删除当前节点cur。
  7. 减少链表的大小_size。
  8. 返回一个指向下一个节点的迭代器。
cpp 复制代码 
		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;
			_size--;
			return iterator(next);
		}

2.4.10 pop_back（）

直接复用erase函数

cpp 复制代码 
		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}

2.4.11 pop_front（）

cpp 复制代码 
		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}

2.4.12 clear（）

复用erase函数，遍历每个节点。

cpp 复制代码 
		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
		}

2.4.13 析构函数

调用clear函数，并释放哨兵节点。

cpp 复制代码 
		//析构函数
		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

2.4.14 size（）

cpp 复制代码 
		size_t size() const
		{
			return _size;
		}

2.4.15 empty（）

判断size是否等于0。

cpp 复制代码 
		bool empty()
		{
			return size == 0;
		}

3. 代码整理

3.1 list.h

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

namespace mylist
{
	//节点类实现
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode<T>* _prev;//C++中可省略了struct
		ListNode<T>* _next;
		T _data;

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

	//迭代器类实现
	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（调用的是函数，返回节点中的值）
		//T& operator*()
		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

		//it->           自定义类型需要
		//T* operator->()
		//list<Date>::iterator it;   it->Date->data;
		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}

		//++it 迭代器++本质就是指针往后移，加完后还应是个迭代器
		Self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		//it++
		Self operator++(int)//加参数方便区分前置++和后置++
		{
			Self tmp(*this);//拷贝构造，记录当前节点
			_node = _node->_next;
			return tmp;//因为是先使用再++，所以返回原先节点方便使用
		}

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

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

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

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

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

		iterator end()
		{
			return _head;
		}

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

		const_iterator end() const
		{
			return _head;
		}


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

			_size = 0;
		}
		//构造函数
		list()
		{
			empty_init();
		}

		// lt2(lt1)拷贝构造
		list(const list<T>& lt)
		{
			empty_init();
			for (auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}

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

		//lt1 = lt2
		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}

		//析构函数
		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}
		}


		/*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;
		}*/

		void push_back(const T& x)
		{
			insert(end(), x);
		}
		void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(), x);
		}
		void insert(iterator pos, const T& val)
		{
			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;
			_size++;
		}

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

		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}
		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;
			_size--;
			return iterator(next);
		}
		 
		size_t size() const
		{
			return _size;
		}

		bool empty()
		{
			return size == 0;
		}
	private:
		Node* _head;//头节点
		size_t _size;
	};


	void test1()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);
		cout << "尾插" << endl;
		list<int>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;


		lt.push_front(10);
		lt.push_front(20);
		lt.push_front(30);
		cout << "头插" << endl;
		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		lt.pop_back();
		lt.pop_back();
		lt.pop_front();
		lt.pop_front();
		cout << "头删尾删" << endl;
		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}


	struct Date
	{
		int _year = 0;
		int _month = 1;
		int _day = 1;
	};

	void test2()
	{
		Date* p2 = new Date;
		*p2;//取到的是Date
		p2->_year;//取到的是Date类中的成员变量

		list<Date>lt;
		lt.push_back(Date());
		lt.push_back(Date());
		//list存了个日期类(自定义类型)的类型
		list<Date>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			//cout << *it << " ";
			cout << it->_year << "-" << it->_month << "-" << it->_day << endl;
			++it;
		}
		cout << endl;

	}

}

3.2 test.cpp

cpp 复制代码 
#include "list.h"

int main()
{
	//mylist::test1();
	mylist::test2();

	return 0;
}
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