C++第十二弹 -- STL之list模拟实现

酷酷学!!!2024-08-27 18:53

文章索引

前言

通过模拟实现可以让我们更加深刻的理解C++底层STL的实现逻辑, 本篇就对list的底层进行模拟实现.

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正文开始

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, 通过上一篇的学习, 这些内容基本掌握之后, 现在我们来模拟实现list.

1. ListNode节点类

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

namespace my
{
	//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;
	};

2. list的迭代器封装

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的实现:
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operator->()
	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,
	  双向链表可以向前或者向后移动,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!=()
cpp 复制代码 
	template<class T,class Ref,class Ptr>
	class ListIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
		//Ref 和 Ptr类型需要重新定义下,实现反向迭代器时需要用到
	public:
		typedef Ref Ref;
		typedef Ptr Ptr;

		//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;
	};

3. 反向迭代器

cpp 复制代码 
	//反向迭代器,迭代器复用
	template<class Iterator>
	class ReverseListIterator
	{
		//注意:此处typename的作用是明确的告诉编译器,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;

		//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 *this;
		}

		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;
	};

4. list类的模拟实现

cpp 复制代码 
	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&, T*> const_iterator;

		//反向迭代器
		typedef ReverseListIterator<iterator> reverse_iterator;
		typedef ReverseListIterator<const_iterator> const_reverse_iterator;
		
		//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的容器相关
		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)
			{
				//将有效元素减少到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)
			{
				Node* next = cur->_next;
				delete cur;
				cur = next;
			}
			_head->_next = _head->_prev = _head;
		}
		
		void swap(my::list<T>& l)
		{
			std::swap(_head, l._head);
		}

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

测试代码

对构造函数进行测试

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

//测试list的构造
void Testmylist1()
{
	my::list<int> l1;
	my::list<int> l2(10, 5);
	PrintList(l2);

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

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

	l1 = l4;
	PrintList(l1);
}

对头/尾插入删除进行测试

cpp 复制代码 
//PushBack()/PopBack()/PushFront()/PopFront()
void Testmylist2()
{
	//测试pushBack和PopBack
	my::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;
}

测试指定位置插入删除

cpp 复制代码 
//测试insert和erase
void Testmylist3()
{
	int array[] = { 1,2,3,4,5 };
	my::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

csharp 复制代码 
//测试反向迭代器
void Testmylist4()
{
	int array[] = { 1,2,3,4,5 };
	my::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	
	auto rit = l.rbegin();
	while (rit != l.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
	cout << endl;

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

list的反向迭代器

我们知道, 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: 返现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 
	//反向迭代器,迭代器复用
	template<class Iterator>
	class ReverseListIterator
	{
		//注意:此处typename的作用是明确的告诉编译器,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;

		//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 *this;
		}

		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;
	};

完

总结

通过以上的实现，可以模拟出一个类似于list的数据结构，并且可以对其中的元素进行添加、删除、查找、等操作。这样就可以在不使用C++内置的list时，使用自己实现的List类来进行相同的操作。

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