【C++】list 模拟实现

_flierx2024-09-17 23:26

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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