【C++】list 模拟实现

文章目录

一、list的介绍

列表是一种顺序容器,它允许在序列中的任何位置执行常量时间插入和删除操作,并允许在两个方向上进行迭代。

它的底层是一个带头双向循环链表,我们直接来看一看整体框架:

cpp 复制代码
// List的节点类
template<class T>
struct ListNode
{
    ListNode(const T& val = T())
        :_val(val)
        ,_pPre(nullptr)
        ,_pNext(nullptr)
    {}

    ListNode<T>* _pPre;

    ListNode<T>* _pNext;
    T _val;
};

template<class T>
	class list
	{
		typedef list_node<T> node;
	public:
        //迭代器
		typedef __list_iterator<T> iterator;
        typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;
        //构造
		list()
		{
			_head = new node(T());
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
	private:
		node* _head;
        size_t _size;
	};

二、迭代器

1、list的迭代器失效问题

insert,迭代器不失效。

earse失效。

2、迭代器的功能分类

1、单向迭代器:只能++,不能--。例如单链表,哈希表;

2、双向迭代器:既能++也能--。例如双向链表;

3、随机访问迭代器:能+±-,也能+和-。例如vector和string。

迭代器是内嵌类型(内部类或定义在类里)

3、list迭代器的模拟实现

1、list迭代器的引入

对于vector和string类而言,物理空间是连续的,原生的指针就是迭代器了(不一定哦,只是可能,版本可能不同),解引用就是数据了。但是对于这里的list而言,空间是不连续的,我们知道,迭代器有两个特征:1.解引用 2.++ /--

此时如果解引用是拿不到数据的(空间不连续),更不用说++指向下一个结点了。所以,对于list的迭代器,原生指针已经不符合我们的需求了,我们需要去进行特殊处理:进行类的封装。 我们可以通过类的封装以及运算符重载支持,这样就可以实现像内置类型一样的运算符。

2.普通迭代器

cpp 复制代码
//用类封装迭代器
template <class T>
struct __list_iterator
{
    typedef list_node<T> node;
    //用节点的指针进行构造
    __list_iterator(node* p)
        :_pnode(p)
    {}
    //迭代器运算符的重载
    T& operator*()
    {
        return _pnode->_data;
    }
    __list_iterator<T>& operator++()//返回值不要写成node* operator++(),因为迭代器++返回迭代器
    { 
        //return _pnode->_next;
        _pnode=_pnode->_next;
        return *this;//返回的是迭代器
    }
    bool operator!=(const __list_iterator<T>& it)
    {
        return _pnode != it._pnode;
    }
public:
    node* _pnode;//封装一个节点的指针
};

注意:对于迭代器的拷贝构造和赋值重载我们并不需要自己去手动实现编译器默认生成的就是浅拷贝,而我们需要的就是浅拷贝,这也说明了,并不是说如果有指针就需要我们去实现深拷贝。另外,迭代器通过结构体指针访问修改链表,所以,对于迭代器我们并不需要构造函数,结点的释放由链表管理。

3.const迭代器

const迭代器的错误写法:

cpp 复制代码
typedef __list_iterator<T> iterator;
const list<T>::iterator it=lt.begin();

因为typedef后,const修饰的是迭代器it,只能调用operator*(),调不了operator++()。

正确写法:想实现const迭代器,,需要再写一个const版本迭代器的类。

cpp 复制代码
//用类封装const迭代器
template <class T>
struct __list_const_iterator
{
    typedef list_node<T> node;
    //用节点的指针进行构造
    __list_const_iterator(node* p)
        :_pnode(p)
    {}
    //迭代器运算符的重载
    const T& operator*()const
    {
        return _pnode->_data;
    }
    __list_const_iterator<T>& operator++()//返回值不要写成node*,因为迭代器++肯定返回迭代器
    {
        //return _pnode->_next;//返回类型错误的
        _pnode = _pnode->_next;
        return *this;//返回的是迭代器
    }
    __list_const_iterator<T>& operator--()
    {
        _pnode = _pnode->_prev;
        return *this;
    }
    bool operator!=(const __list_const_iterator<T>& it)const
    {
        return _pnode != it._pnode;
    }
public:
    node* _pnode;//封装一个节点的指针
};
 
typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;

如果是这样子去实现的话,我们就会发现,这两个迭代器的实现并没有多大的区别,唯一的区别就在于operator*的不同。const迭代器和普通迭代器的唯一区别就是普通迭代器返回T&,可读可写,const迭代器返回const T&,可读不可写,上面的代码存在很大的问题:代码冗余 ,所以我们应该去解决这个问题:我们可以参考源码的实现:类模板参数解决这个问题,这也是迭代器的强大之处

cpp 复制代码
//用类封装普通/const迭代器
template <class T,class Ref>
struct __list_iterator
{
    typedef list_node<T> node;
    typedef __list_iterator<T,Ref> Self;
    //用节点的指针进行构造
    __list_iterator(node* p)
        :_pnode(p)
    {}
    //迭代器运算符的重载
    Ref operator*()
    {
        return _pnode->_data;
    }
    Self& operator++()//返回值不要写成node*,因为迭代器++肯定返回迭代器啊,你返回节点指针类型不对
    { 
        //return _pnode->_next;//返回类型错误的
        _pnode=_pnode->_next;
        return *this;//返回的是迭代器
    }
    Self& operator--()
    {
        _pnode = _pnode->_prev;
        return *this;
    }
    bool operator!=(const Self& it)
    {
        return _pnode != it._pnode;
    }
public:
    node* _pnode;//封装一个节点的指针
};
 
typedef __list_iterator<T, T&> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&> const_iterator;

4、迭代器operator->的重载

迭代器的用法就是模拟指针的行为,如果现在有一个指向结构的指针,那么就需要用到->来解引用。

cpp 复制代码
//*的重载:返回节点的数据
Ref operator*()
{
    return _pnode->_data;
}
//->的重载:返回数据的指针
T* operator->()
{
    return &_pnode->_data;
}

但是operator->使用T*做返回值类型,这样无论是普通迭代器和const迭代器都能修改,所以operator->的返回值类型应该改为泛型:

cpp 复制代码
template <class T, class Ref,class Ptr>
Ptr operator->()
{
    return &_pnode->_data;
}
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

5、迭代器价值

1、封装底层实现,不暴露底层实现的细节;

2、多种容器提供统一的访问方式,降低使用成本;

C语言没有运算符重载和引用等语法,是实现不了迭代器的。

三、增删查改

1、insert和erase

insert:在pos位置上一个插入,返回插入位置的迭代器,对于list的insert迭代器不会失效,vector失效是因为扩容导致pos位置造成野指针问题。

cpp 复制代码
		iterator insert(iterator pos,const T& x)
		{
			node* newnode = new node(x);
			node* cur = pos._pnode;
			node* prev = cur->_prev;

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

			++_size;
			return iterator(newnode);
		}

erase:这里的带头(哨兵位)头结点不可删除,返回值是删除位置的下一个,对于list的erase迭代器是失效的

cpp 复制代码
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());
			node* prev = pos._pnode->_prev;
			node* next = pos._pnode->_next;

			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete pos._pnode;
			--_size;
			return iterator(next);
		}

2、push_back和push_front

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

			newnode->_prev = tail;
			tial->_next = newnode;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;*/
			insert(end(), x);
		}

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

3、pop_back和pop_front

尾删和头删,复用erase即可

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

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

四、list的构造函数

1、构造

默认构造:

cpp 复制代码
list()
{
    _head = new node(T());
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	_size = 0;
}

我们可以用empty_initialize()来封装初始化,方便复用,不用每次都写:

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

迭代器区间构造:

cpp 复制代码
	    //迭代器区间构造
		template <class InputIterator>
		list(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			empty_initialize();
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}

拷贝构造:

传统写法

cpp 复制代码
		list(const list<T>& lt)
		{
			empty_initialize();
			for (const auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}

用范围for进行尾插,但是要注意要加上&,范围for是*it赋值给给e,又是一个拷贝,e是T类型对象,依次取得容器中的数据,T如果是string类型,不断拷贝,push_back之后又销毁。

现代写法

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

2、赋值重载

传统写法

cpp 复制代码
		list<T>& operator=(list<T>& lt)
		{
			if (this != &lt)
			{
				clear();
				for (const auto& e : lt)
				{
					push_back(e);
				}
			}
			return *this;
		}

现代写法

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

3、析构

对于list,有单独的clear()接口,list的析构可以直接复用clear(),同时还需要我们去释放掉头结点:

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

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

类名和类型的区别

普通类:类名等于类型

类模板:类名不等价于类型,例如list类模板类名是list,类型list等。

所以我们平常写函数形参和返回值时,总会带上形参和返回值的类型:

cpp 复制代码
// 赋值运算符重载
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
    swap(lt);
    return *this;
}

五、list和vector的对比

1.vector

vector的优点(结构牛逼):

1、支持下标的随机访问;

2、尾插尾删效率高(当然扩容的那一次尾插会较慢);

3、CPU高速缓存命中高(数据从缓存加载至CPU中,会加载连续的一段数据,vector因为结构连续,高速缓存命中高)。

vector的缺点:

1、非尾插尾删效率低;

2、扩容有消耗,并存在一定的空间浪费。

vector迭代器失效问题:

insert/erase均失效。(如果string的insert和erase形参是迭代器,那么也会失效,但是大部分接口是下标传参,不考虑失效问题,只有几个接口是迭代器传参,需要注意迭代器失效问题)

2、list

list的优点:

1、按需申请释放,无需扩容;

2、任意位置插入删除时间O(1);(这里说的是插入删除,不要加上查找的时间)

list的缺点:

1、不支持下标的随机访问;

2、CPU高速缓存命中率低;

3、每一个节点除了存储数据外,还需要额外存储两个指针。

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

六、模拟实现list整体代码

cpp 复制代码
namespace fx
{
    // List的节点类
    template<class T>
    struct ListNode
    {
        ListNode(const T& val = T())
            :_val(val)
            ,_pPre(nullptr)
            ,_pNext(nullptr)
        {}

        ListNode<T>* _pPre;

        ListNode<T>* _pNext;
        T _val;
    };


    //List的迭代器类
    template<class T, class Ref, class Ptr>
    class ListIterator
    {
        typedef ListNode<T>* PNode;
        typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
    public:
        ListIterator(PNode pNode = nullptr)
            :_pNode(pNode)
        {}

        ListIterator(const Self& l)
        {
            _pNode = l._pNode;
        }

        Ref operator*()
        {
            return _pNode->_val
        }

        Ptr operator->()
        {

        }

        Self& operator++()
        {
            return _pNode->_pNext;
        }

        Self operator++(int)
        {
            Self tmp(*this);
            _pNode = _pNode->_pNext;
            return tmp;
        }
        Self& operator--()
        {
            return _pNode->_pPre;
        }
        Self& operator--(int)
        {
            Self tmp(*this);
            _pNode = _pNode->_pPre;
            return tmp;
        }
        bool operator!=(const Self& l)
        {
            return _pNode != l._pNode;
        }
        bool operator==(const Self& l)
        {
            return _pNode == l._pNode;
        }
    private:
        PNode _pNode;
    };


    //list类
    template<class T>
    class list
    {
        typedef ListNode<T> Node;
        typedef Node* PNode;
    public:
        typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
        typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
    public:
        ///
        // List的构造
        void CreateHead()
        {
            Node* _pHead = new Node;
            _pHead->_pNext = _pHead;
            _pHead->_pPre = _pHead;
            _size = 0;
        }
        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();
            wihle(first != last)
            {
                push_back(*first);
                ++first;
            }
        }

        list(const list<T>& l)
        {
            CreateHead();
            for (auto& e : lt)
            {
                push_back(e);
            }
        }

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

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


        ///
        // List Iterator
        iterator begin()
        {
            return _pHead->_pNext;
        }
        iterator end()
        {
            return _pHead;
        }
        const_iterator begin()
        {
            return _head->_next;
        }
        
        const_iterator end()
        {
            return _pHead;
        }


        ///
        // List Capacity
        size_t size()const
        {
            return _size;
        }
        bool empty()const
        {
            return _size == 0;
        }


        
        // List Access
        T& front()
        {
            return *begin();
        }
        const T& front()const
        {
            return *begin();
        }
        T& back()
        {
            return _head->_prev->_val;
        }
        const T& back()const
        {
            return _head->_prev->_val;
        }


        
        // List Modify
        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* newnode = new Node;
            Node* cur = pos._node;
            Node* prev = cur->_prev;

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

            ++_size;

        }
        // 删除pos位置的节点,返回该节点的下一个位置
        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;
        }

        void clear()
        {
            auto it = begin();
            while (it != end())
            {
                it = erase(it);
            }
        }
        void swap(list<T>& l)
        {
            std::swap(_head, lt._head);
            std::swap(_size, lt._size);
        }
    private:
        PNode _pHead;
        size_t _size;
    };
};
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