1.初步实现结点和链表
cpp
namespace jxy
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
list_node(const T& x = T())
:_data(x)
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
};
template<class T>
class list//list的框架本质是封装+运算符重载
{
typedef list_node<T> Node;
public:
void empty_init()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
list()
{
empty_init();
}
private:
Node* _head;
size_t _size;
//不写_size变量的话,想获取size的大小,从头遍历链表,时间复杂度是O(N)
};
}
2.push_back
cpp
namespace jxy
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
list_node(const T& x = T())
:_data(x)
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
};
template<class T>
class list//list的框架本质是封装+运算符重载
{
typedef list_node<T> Node;
public:
void empty_init()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
_size = 0;
}
list()
{
empty_init();
}
void push_back(const T& x)
{
Node* tail = _head->_prev;
Node* newnode = new Node(x);//调用构造函数
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _head;
_head->_prev = newnode;
}
private:
Node* _head;
size_t _size;
};
}
3.初步实现迭代器
将迭代器封装为类来实现其功能
cpp
namespace jxy
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
list_node(const T& x = T())
:_data(x)
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
};
template<class T>
struct __list_iterator//一般前加__就说明这是内部的实现
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T> self;
Node* _node;
__list_iterator(Node* node)
:_node(node)
{}
self& operator++()//不是连续的物理空间,++不能到下一个位置
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
T& operator*()
{
return _node->_data;
}
bool operator!=(const self& s)
{
return (_node != s._node);
}
};
template<class T>
class list//list的框架本质是封装+运算符重载
{
typedef list_node<T> Node;
public:
typedef __list_iterator<T> iterator;
iterator begin()
{
//return iterator(_head->_next);
return _head->_next;
}
iterator end()
{
//return iterator(_head);
return _head;
}
void empty_init()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
list()
{
empty_init();
}
void push_back(const T& x)
{
Node* tail = _head->_prev;
Node* newnode = new Node(x);//调用构造函数
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _head;
_head->_prev = newnode;
}
private:
Node* _head;
size_t _size;
};
void test_list1()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
lt.push_back(5);
// 封装,屏蔽了底层差异和实现细节
// 提供了统一的访问、修改和遍历方式
list<int>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
*it += 10;//还可以修改
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
}
4.插入和删除
cpp
namespace jxy
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
list_node(const T& x = T())
:_data(x)
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
};
template<class T>
struct __list_iterator//一般前加__就说明这是内部的实现
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T> self;
Node* _node;
__list_iterator(Node* node)
:_node(node)
{}
self& operator++()//不是连续的物理空间,++不能到下一个位置
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
T& operator*()
{
return _node->_data;
}
bool operator!=(const self& s)
{
return (_node != s._node);
}
};
template<class T>
class list//list的框架本质是封装+运算符重载
{
typedef list_node<T> Node;
public:
typedef __list_iterator<T> iterator;
void clear()//不清哨兵位的头结点
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x);
}
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
//void insert(iterator pos,const T& x)
//{
// Node* cur = pos._node;
// Node* newnode = new Node(x);
// Node* prev = cur->_prev;
// //prev newnode cur
// prev->_next = newnode;
// newnode->_prev = prev;
// newnode->_next = cur;
// cur->_prev = newnode;
// //理论上可以认为list的迭代器不存在失效问题
//}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
Node* cur = pos._node;
Node* newnode = new Node(x);
Node* prev = cur->_prev;
//prev newnode cur
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
++_size;
return iterator(newnode);//指向新插入的元素
}
//void erase(iterator pos)
//{
// Node* cur = pos._node;
// Node* prev = cur->_prev;
// Node* next = cur->_next;
// delete cur;
// prev->_next = next;
// next->_prev = prev;
//}
iterator erase(iterator pos)
{
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* next = cur->_next;
delete cur;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
--_size;
//erase后的迭代器会失效,所有最好把返回值类型改为iterator
return iterator(next);
}
size_t size()
{
return _size;
}
private:
Node* _head;
size_t _size;
};
}
5.拷贝构造和赋值
cpp
namespace jxy
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
list_node(const T& x = T())
:_data(x)
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
};
template<class T>
struct __list_iterator//一般前加__就说明这是内部的实现
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T> self;
Node* _node;
__list_iterator(Node* node)
:_node(node)
{}
self& operator++()//不是连续的物理空间,++不能到下一个位置
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
T& operator*()
{
return _node->_data;
}
bool operator!=(const self& s)
{
return (_node != s._node);
}
};
template<class T>
class list//list的框架本质是封装+运算符重载
{
typedef list_node<T> Node;
public:
typedef __list_iterator<T> iterator;
iterator begin()
{
//return iterator(_head->_next);
return _head->_next;
}
iterator end()
{
//return iterator(_head);
return _head;
}
void empty_init()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
list()
{
empty_init();
}
~list()
{
clear();
delete(_head);
_head = nullptr;
}
//拷贝构造
//list(const list<T>& lt)//这里是const迭代器
list(list<T>& lt)
{
empty_init();
for (auto e : lt)
{
push_back(e);
}
}
传统写法
//list<int>& operator=(const list<int>& lt)
//{
// if (this != <)
// {
// clear();
// for (auto e : lt)
// {
// push_back(e);
// }
// }
// return *this;
//}
void swap(list<int>& lt)
{
std::swap(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
list<int>& operator=(list<int> lt)//调用拷贝构造
{
swap(lt);
return *this;
}
private:
Node* _head;
size_t _size;
};
}
6.完善迭代器
cpp
namespace jxy
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
list_node(const T& x = T())
:_data(x)
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
};
template<class T>
struct __list_iterator//一般前加__就说明这是内部的实现
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T> self;
Node* _node;
__list_iterator(Node* node)
:_node(node)
{}
self& operator++()//不是连续的物理空间,++不能到下一个位置
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
//自定义类型尽量使用前置++,后置++要返回++之前的值
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
self operator--(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
T& operator*()
{
return _node->_data;
}
bool operator!=(const self& s)
{
return (_node != s._node);
}
bool operator==(const self& s)
{
return (_node == s._node);
}
//迭代器不需要析构函数
//它虽然有结点的指针,但是指针是不属于它的,它不能释放
//迭代器的拷贝构造和赋值也不需要去实现深拷贝
};
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> Node;
public:
private:
Node* _head;
size_t _size;
};
}
7.补充:迭代器的->运算符重载
cpp
namespace jxy
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
list_node(const T& x = T())
:_data(x)
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
};
template<class T>
struct __list_iterator//一般前加__就说明这是内部的实现
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T> self;
Node* _node;
__list_iterator(Node* node)
:_node(node)
{}
self& operator++()//不是连续的物理空间,++不能到下一个位置
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
T& operator*()
{
return _node->_data;
}
bool operator!=(const self& s)
{
return (_node != s._node);
}
T* operator->()
{
return &_node->_data;
}
};
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> Node;
public:
private:
Node* _head;
size_t _size;
};
struct AA
{
AA(int a1 = 0, int a2 = 0)
:_a1(a1)
,_a2(a2)
{}
int _a1;
int _a2;
};
void test_list3()
{//存一个自定义类型
list<AA> lt;
lt.push_back(AA(1, 2));
lt.push_back(AA(2, 3));
lt.push_back(AA(3, 4));
list<AA>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
//cout << *it << " ";//*it的类型是AA,不支持流插入
//一、让AA类支持流插入
//二、打印公有成员变量
//cout << (*it)._a1 << " " << (*it)._a2 << endl;
//三、让AA类支持->
//自定义类型不支持运算符,需要重载
cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;
cout << it.operator->()->_a1 << " " << it.operator->()->_a2 << endl;
++it;
//当数据存储自定义类型时,重载->
}
//解引用有三种方式:*、[]、->
int* p = new int;
*p = 1;
AA* ptr = new AA;
ptr->_a1=1;
}
}
8.const迭代器
cpp
namespace jxy
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
list_node(const T& x = T())
:_data(x)
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
};
//const迭代器模拟的是指向的内容不能改变,而不是本身不能改变
//const迭代器本身可以++
template<class T>
struct __list_const_iterator//const迭代器是一个单独的类
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_const_iterator<T> self;
Node* _node;
__list_const_iterator(Node* node)
:_node(node)
{}
self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
self operator--(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
const T& operator*() //通过解引用才能修改数据
{
return _node->_data;//返回的是const别名,不能修改
}
const T* operator->()
{
return &_node->_data;
}
bool operator!=(const self& s)
{
return (_node != s._node);
}
bool operator==(const self& s)
{
return (_node == s._node);
}
};
template<class T>
class list//list的框架本质是封装+运算符重载
{
typedef list_node<T> Node;
public:
typedef __list_iterator<T> iterator;
typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;
//单独去支持一个类型:const_iterator
const_iterator begin() const
{
//return const_iterator(_head->_next);
return _head->_next;
}
const_iterator end() const
{
//return const_iterator(_head);
return _head;
}
private:
Node* _head;
size_t _size;
};
//测试const迭代器
void print_list(const list<int>& lt)
//容器通常不支持流插入,所以要写个print函数
{
list<int>::const_iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
//*it = 100;//不可修改
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;
}
void test_list4()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
lt.push_back(5);
print_list(lt);
}
}
9.改善为模板
当前代码的实现太过冗余,iterator类和const_iterator类的代码实现高度重合
cpp
namespace jxy
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
list_node(const T& x = T())
:_data(x)//这里是拷贝构造
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
};
//T T& T*
//T const T& const T*
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)
{}
self& operator++()//不是连续的物理空间,++不能到下一个位置
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
self operator--(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
Ref operator*()//从泛型的角度来说,这里返回值类型是什么是不知道的
{
return _node->_data;
}
Ptr operator->()
{
return &_node->_data;
}
bool operator!=(const self& s)
{
return (_node != s._node);
}
bool operator==(const self& s)
{
return (_node == s._node);
}
//所以迭代器到底如何实现,是根据容器的底层结构来决定的
};
template<class T>
class list//list的框架本质是封装+运算符重载
{
typedef list_node<T> Node;
public:
typedef __list_iterator<T,T&,T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
const_iterator begin() const
{
//return const_iterator(_head->_next);
return _head->_next;
}
const_iterator end() const
{
//return const_iterator(_head);
return _head;
}
iterator begin()
{
//return iterator(_head->_next);
return _head->_next;
}
iterator end()
{
//return iterator(_head);
return _head;
}
void empty_init()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
_size = 0;
}
list()
{
empty_init();
}
~list()
{
clear();
delete(_head);
_head = nullptr;
}
//拷贝构造
list(const list<T>& lt)//这里是const迭代器
{
empty_init();
for (auto e : lt)
{
push_back(e);
}
}
void swap(list<int>& lt)
{
std::swap(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
list<int>& operator=(list<int> lt)//调用拷贝构造
{
swap(lt);
return *this;
}
void clear()//不清哨兵位的头结点
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x);
}
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
Node* cur = pos._node;
Node* newnode = new Node(x);
Node* prev = cur->_prev;
//prev newnode cur
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
++_size;
return iterator(newnode);//指向新插入的元素
}
iterator erase(iterator pos)
{
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* next = cur->_next;
delete cur;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
--_size;
//erase后的迭代器会失效,所有最好把返回值类型改为iterator
return iterator(next);
}
size_t size()
{
return _size;
}
private:
Node* _head;
size_t _size;
};
//测试const迭代器
void print_list(const list<int>& lt)
{
list<int>::const_iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
//*it = 100;//不可修改
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
void test_list4()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
lt.push_back(5);
print_list(lt);
}
}
10.关于typename
cpp
namespace jxy
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
list_node(const T& x = T())
:_data(x)
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
};
template<class T>
void print_list(const list<T>& lt)//之前的print只支持int类型
{
list<T>::const_iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
void test_list4()
{
list<string> lt1;
lt1.push_back("1111111111111111111111");
lt1.push_back("1111111111111111111111");
lt1.push_back("1111111111111111111111");
lt1.push_back("1111111111111111111111");
//这里会不会涉及深层次的深拷贝问题?
//之前的vector容器就涉及到了深层次的浅拷贝问题
//它的主要原因是因为扩容时使用了memcpy
//list不存在扩容的事情,也就不涉及这个问题
print_list(lt1);
}
}
但事实上,这样修改以后是编译不通过的。
这就涉及到另一个知识点,在日常使用中,模板命名时,使用class 和使用typename是等价的
cpp
template<class T>
template<typename T>
但此时的场景下,就要使用typename了。
cpp
namespace jxy
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
list_node(const T& x = T())
:_data(x)
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
};
template<typename T>
void print_list(const list<T>& lt)//之前的print只支持int类型
{
typename list<T>::const_iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
void test_list4()
{
list<string> lt1;
lt1.push_back("1111111111111111111111");
lt1.push_back("1111111111111111111111");
lt1.push_back("1111111111111111111111");
lt1.push_back("1111111111111111111111");
print_list(lt1);
}
}
cpp
typename list<T>::const_iterator it = lt.begin();
当模板是未实例化的类模板时,如list<T>
编译器不能去它里面查找,它里面带有许多不可确定的东西
编译器在编译阶段、没有实例化时,只会对这里进行初步的检查
所以编译器无法判断list<T>::const_iterator是内嵌类型,还是静态成员变量
所以这里要加上typename,凡是这种类模板中取类型都要加
前面加一个typename就是告诉编译器,这里是一个类型
要等list<T>实例化了,再去类里面去取
模板里面取东西都要加typename,使得编译器初步检查时先通过
然后实例化后,再去类中取这个类型,就知道它具体是什么了
11.再次改善为模板
cpp
namespace jxy
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
list_node(const T& x = T())
:_data(x)
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
};
template<typename T>
void print_list(const list<T>& lt)
{
typename list<T>::const_iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
void test_list4()
{
list<string> lt1;
lt1.push_back("1111111111111111111111");
lt1.push_back("1111111111111111111111");
lt1.push_back("1111111111111111111111");
lt1.push_back("1111111111111111111111");
print_list(lt1);
vector<string> v;
v.push_back("111111111111");
v.push_back("111111111111");
v.push_back("111111111111");
v.push_back("111111111111");
v.push_back("111111111111");
print_list(v);//此时是打印不了的
}
}
print_list是专门打印list的,想要打印vector,难道再去写一个逻辑高度重复的print函数吗?
cpp
namespace jxy
{
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _prev;
list_node<T>* _next;
list_node(const T& x = T())
:_data(x)
,_prev(nullptr)
,_next(nullptr)
{}
};
template<typename Container>
void print_container(const Container& con)//针对容器的打印
{
typename Container::const_iterator it = con.begin();
while (it != con.end())
{
cout << *it << " ";
it++;
}
cout << endl;
}
//模板实现了泛型编程,本质就是本来应该由我们做的事情交给了编译器
void test_list4()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
lt.push_back(5);
print_container(lt);
list<string> lt1;
lt1.push_back("1111111111111111111111");
lt1.push_back("1111111111111111111111");
lt1.push_back("1111111111111111111111");
lt1.push_back("1111111111111111111111");
print_container(lt1);
vector<string> v;
v.push_back("111111111111");
v.push_back("111111111111");
v.push_back("111111111111");
v.push_back("111111111111");
v.push_back("111111111111");
print_container(v);
}
}
12.总结:对比vector和list
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
|-------|----------------------------------------------------------------------|-------------------------------------------|
| | 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),适合sort数据 | 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,CPU高速缓存利用率高 | 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 |