C++ STL专题 list的底层实现

Mike!2024-08-13 17:10

目录

1.模拟实现list

2.节点模板讲解

3.迭代器模板讲解

[3.1为什么template 有三个类型参数](#3.1为什么template 有三个类型参数)

[(1).class T](#(1).class T)

[(2).class ref](#(2).class ref)

[(3).class ptr](#(3).class ptr)

[3.2 *重载](#3.2 *重载)

[3.3 ->重载](#3.3 ->重载)

[3.4 前置++和++后置的重载](#3.4 前置++和++后置的重载)

[3.5 前置--和--后置的重载](#3.5 前置--和--后置的重载)

[3.6 ==和!=的重载](#3.6 ==和!=的重载)

[4. list模板讲解](#4. list模板讲解)

[4.1 begin()函数](#4.1 begin()函数)

[4.2 end()函数](#4.2 end()函数)

[4.3 空初始化函数](#4.3 空初始化函数)

[4.4 深拷贝函数](#4.4 深拷贝函数)

[4.5 交换函数](#4.5 交换函数)

[4.6 赋值运算符operator=的实现](#4.6 赋值运算符operator=的实现)

[4.7 析构函数和clear()函数](#4.7 析构函数和clear()函数)

[4.8 push_back函数](#4.8 push_back函数)

[4.9 插入函数](#4.9 插入函数)

[4.10 push_front函数](#4.10 push_front函数)

[4.11 erase函数](#4.11 erase函数)

[4.12 头删和尾删](#4.12 头删和尾删)

[4.13 size函数](#4.13 size函数)

[3.14 empty函数](#3.14 empty函数)

1.模拟实现list

分别定义了三个类模板

分别是节点模板，迭代器模板，list模板

cpp 复制代码 
template <class T>
class list_node
{
public:
    T _data;
    list_node<T>* _next;
    list_node<T>* _prev;

    list_node(const T& data = T())
        : _data(data), _next(nullptr), _prev(nullptr)
    {
    }
};
cpp 复制代码 
template <class T, class ref, class ptr>
struct list_iterator
{
    typedef list_node<T> Node;
    typedef list_iterator<T, ref, ptr> self;

    Node* _node;
};
cpp 复制代码 
template <class T>
class list
{
    typedef list_node<T> Node;

public:


private:
    Node* _head;
    size_t _size;
};

2.节点模板讲解

源码：

cpp 复制代码 
template <class T>
class list_node
{
public:
    T _data;
    list_node<T>* _next;
    list_node<T>* _prev;

    list_node(const T& data = T())
        : _data(data), _next(nullptr), _prev(nullptr)
    {
    }
};

(1).定义值域_data，用于存放数值，在定义指向下一个节点和上一个节点的指针。

(2).默认构造函数，可用于初始化，赋值等等。

3.迭代器模板讲解

源码：

cpp 复制代码 
template <class T, class ref, class ptr>
struct list_iterator
{
    typedef list_node<T> Node;
    typedef list_iterator<T, ref, ptr> self;

    Node* _node;

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

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

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

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

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

3.1为什么**template <class T, class ref, class ptr>**有三个类型参数

(1).class T

T通常用于表示迭代器所指的数据类型。在list中，T是链表节点中存储的数据类型。例如：如果此链表用于存储整数，那么T就是int；如果链表用于存储字符串，则T就是string。

(2).class ref

ref用于定义解引用迭代器时返回的类型，这允许迭代器解引用时的行为。

在这个代码中，ref被用作operator*()的返回类型 ，他返回_node->_data的一个引用。这意味着ref应该是对T类型的引用类型，通常是T&。

(3).class ptr

ptr用于定义迭代器箭头操作符operator->()的返回类型 。他返回_node->_data的地址，这意味着ptr应该是一个指针类型，，通常是T*。

这三个类型参数T，ref，ptr提供了对迭代器行为的精细度控制，使得迭代器模板能够更加灵活和通用地应对不同场景和数据类型。

3.2 *重载

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

(1).*为解引用，要获取值，则返回这个值的引用即可。(ref被用作operator*()的返回类型)

3.3 ->重载

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

(1). ->为获取地址，获取地址，就返回地址即可。(ref被用作operator*()的返回类型)

3.4 前置++和++后置的重载

cpp 复制代码 
self& operator++()
{
    _node = _node->_next;
    return *this;
}

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

(1).前置++中，由于是先自加再赋值，所以直接将_node=_node->_next即可，然后返回*this。

(1).++后置中，由于是先赋值再自加，所以要先把改变之前的值保持在tmp中，再对_node作改变，最后返回的是tmp。

3.5 前置--和--后置的重载

cpp 复制代码 
self& operator--()
{
    _node = _node->_prev;
    return *this;
}
self& operator--(int)
{
    self tmp(*this);
    _node = _node->_prev;
    return tmp;
}

(1).前置--中，由于是先自减再赋值，所以直接将_node=_node->_prev即可，然后返回*this。

(2).--后置中，由于是先赋值再自减，所以要先把改变之前的值保持在tmp中，再对_node作改变，最后返回的是tmp。

3.6 ==和!=的重载

cpp 复制代码 
bool operator!=(const self& s) const
{
    return _node != s._node;
}
bool operator==(const self& s) const
{
    return _node == s._node;
}

(1) ==和!=中，直接判断s与_node 是否相等即可。

(2)注意：

这两个运算符通常应该一起被重载，以保持它们之间的一致性。

它们被声明为const成员函数，因为它们不修改_node成员。

4. list模板讲解

源码：

cpp 复制代码 
template <class T>
class list
{
    typedef list_node<T> Node;

public:
    // typedef list_iterator<T> iterator;
    // typedef list_const_iterator<T> const_iterator;

    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;
    }

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

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

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

    void empty_init()
    {
        _head = new Node(T());
        _head->_next = _head;
        _head->_prev = _head;
        _size = 0;
    }

    list()
    {
        empty_init();
    }

    list(const list<T>& lt) // 深拷贝
    {
        empty_init(); // 初始化
        for (auto& e : lt)
        {
            push_back(e);
        }
    }

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

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

    void clear()
    {
        auto it = begin();
        while (it != end())
        {
            it = erase(it); // 返回下一个的迭代器
        }
    }

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

    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;
        _size++;

        // insert(end(),x);
    }

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

    // 在pos之前插入
    void insert(iterator pos, const T& x)
    {
        Node* cur = pos._node;
        Node* prev = cur->_prev;

        Node* newnode = new Node(x);

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

        _size++;
    }

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

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

    iterator erase(iterator pos)
    {
        assert(pos != end());

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

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

        delete pos._node;

        _size--;
        return next;
    }

    size_t size() const
    {
        return _size;
    }

    bool empty()
    {
        return _size == 0;
    }

private:
    Node* _head;
    size_t _size;
};

重命名：

cpp 复制代码 
typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

4.1 begin()函数

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

(1).begin()是一个迭代器，其作用是返回第一个有效数值的地址。

(2)._head是一个指向链表头节点的指针，这里的头节点并不存储有效数据，而是作为一个哨兵节点的存在。

(3)._head=_next是头节点的下一个节点，即链表中第一个存储有效数据的节点。

(4).iterator it(_head=_next) 创建了一个迭代器it，他初始化为指向链表的第一个有效元素。

4.2 end()函数

cpp 复制代码 
iterator end()
{
    iterator it(_head);
    return it;
}

(1).end()是一个迭代器，其作用是返回最后一个有效节点的下一个位置，也就是哨兵节点。

4.3 空初始化函数

cpp 复制代码 
void empty_init()
{
    _head = new Node(T());
    _head->_next = _head;
    _head->_prev = _head;
    _size = 0;
}

void empty_init()函数在list类中有着重要作用，其作用为初始化链表为空状态的作用，这个函数的主要目的是创建一个哑节点(哨兵节点)，并设置链表的初始状态，使链表在逻辑上是空的。

4.4 深拷贝函数

cpp 复制代码 
list(const list<T>& lt) // 深拷贝
{
    empty_init(); // 初始化
    for (auto& e : lt)
    {
        push_back(e);
    }
}

list(const list<T>& lt)是一个拷贝构造函数，它用于创建一个新的list对象，该对象是另一个已存在list对象的深拷贝。这个拷贝构造函数通过遍历it并使用其元素来填充新创建的list，从而实现了深拷贝。

4.5 交换函数

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

实现了交换两个list的功能

4.6 赋值运算符operator=的实现

cpp 复制代码 
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
    swap(lt);
    return *this;
}

注意是传值传参，只是一个拷贝，在调用operator=时会创建一个list<T>的副本，这个副本是通过调用list的拷贝构造函数实现的。

在swap调用后，*this获得了it的原始资源，而it获得了*this的原始资源。

4.7 析构函数和clear()函数

cpp 复制代码 
void clear()
{
    auto it = begin();
    while (it != end())
    {
        it = erase(it); // 返回下一个的迭代器
    }
}

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

void clear()函数中,通过遍历整个list，再通过erase来销毁list。

析构函数中，直接调用了clear()函数。

4.8 push_back函数

cpp 复制代码 
void push_back(const T& x)
{
    Node* newnode = new Node(x);
    Node* tail = _head->_prev;//尾节点

    tail->_next = newnode;//更新尾节点的_next指针
    newnode->_prev = tail;//更新新节点的_prev指针
    newnode->_next = _head;//新节点的_next指向哨兵节点
    _head->_prev = newnode;//哨兵节点的_prev指向新节点
    _size++;//更新链表大小

    // insert(end(),x);
}

这个函数接受一个类型为constT&的参数x，即要插入的新元素的一个常量引用。使用常量引用是为了避免不必要的元素复制，同时保证传递给函数的对象不会被修改。

4.9 插入函数

cpp 复制代码 
void insert(iterator pos, const T& x)
{
    Node* cur = pos._node;//cur指向迭代器pos当前指向的节点
    Node* prev = cur->_prev;//prev指向cur的前一个节点

    Node* newnode = new Node(x);//创建一个新的节点newnode，并初始化为x

    newnode->_next = cur;//将新结点的_next指针指向cur。
    cur->_prev = newnode;//将当前位置的_prev指针更新为指向新节点，以保持双向链接
    newnode->_prev = prev;//将新节点_prev指针指向prev，即前一个节点
    prev->_next = newnode;//将前一个结点的_next指针更新为新结点，完成插入。

    _size++;//链表大小加一，因为插入了新数据
}

用于在链表的指定位置pos之前插入一个新的元素x。这个函数展示了如何在双向链表中高效的插入元素。

4.10 push_front函数

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

直接利用insert函数即可，将插入位置定为begin()。

4.11 erase函数

cpp 复制代码 
iterator erase(iterator pos)
{
    assert(pos != end());

    Node* prev = pos._node->_prev;//获得删除结点的前驱
    Node* next = pos._node->_next;//获得删除结点的后继

    prev->_next = next;//将前驱结点的_next指针指向后继结点
    next->_prev = prev;//将后继节点的_prev指针指向前驱结点

    delete pos._node;//删除pos位置的节点的内存

    _size--;//将链表大小减一
    return next;//返回被删除元素之后元素的迭代器
}

用于从双向链表中删除指定位置的元素，并返回指向被删除元素之后元素的迭代器。

4.12 头删和尾删

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

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

直接调用erase即可

4.13 size函数

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

直接返回_size的大小即可

3.14 empty函数

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

直接返回_size是否等于0即可。

本篇完

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