STL-list-模拟实现

legend_jz2024-10-17 8:18

文章目录

list介绍

  1. list是可以在常数范围内在任意位置进行插入和删除的序列式容器，并且该容器可以前后双向迭代。
  2. list的底层是双向链表结构，双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中，在节点中通过指针指向其前一个元素和后一个元素。
  3. list与forward_list非常相似：最主要的不同在于forward_list是单链表，只能朝前迭代，已让其更简单高效。
  4. 与其他的序列式容器相比(array，vector，deque)，list通常在任意位置进行插入、移除元素的执行效率好。
  5. 与其他序列式容器相比，list和forward_list最大的缺陷是不支持任意位置的随机访问，比如：要访问list的第6个元素，必须从已知的位置(比如头部或者尾部)迭代到该位置，在这段位置上迭代需要线性的时间开销；list还需要一些额外的空间，以保存每个节点的相关联信息(对于存储类型较小元素的大list来说这可能是一个重要的因素)

list的使用

list中的接口比较多，此处类似，只需要掌握如何正确的使用，然后再去深入研究背后的原理，已达到可扩展

的能力。以下为list中一些常见的重要接口：

list构造

构造函数 接口说明
list (size_type n, const value_type& val = value_type()) 构造的list中包含n个值为val的元素
list() 构造空的list
list (const list& x) 拷贝构造函数
list (InputIterator first, InputIterator last) 用[first, last)区间中的元素构造list

list iterator的使用

此处，大家可暂时将迭代器理解成一个指针，该指针指向list中的某个节点。

函数声明 接口说明
begin + end 返回第一个元素的迭代器+返回最后一个元素下一个位置的迭代器
rbegin + rend 返回第一个元素的reverse_iterator,即end位置，返回最后一个元素下一个位置的reverse_iterator,即begin位置

【注意】

  1. begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动。
  2. rbegin(end)与rend(begin)为反向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向前移动。

list capacity

函数声明 接口说明
empty 检测list是否为空，是返回true，否则返回false
size 返回list中有效节点的个数

list element access

函数声明 接口说明
front 返回list的第一个节点中值的引用
back 返回list的最后一个节点中值的引用

list modifiers

函数声明 接口说明
push_front 在list首元素前插入值为val的元素
pop_front 删除list中第一个元素
push_back 在list尾部插入值为val的元素
pop_back 删除list中最后一个元素
insert 在list position 位置中插入值为val的元素
erase 删除list position位置的元素
swap 交换两个list中的元素
clear 清空list中的有效元素

list的迭代器失效

前面说过，此处大家可将迭代器暂时理解成类似于指针，迭代器失效即迭代器所指向的节点的无效，即该节

点被删除了。因为list的底层结构为带头结点的双向循环链表，因此在list中进行插入时是不会导致list的迭代

器失效的，只有在删除时才会失效，并且失效的只是指向被删除节点的迭代器，其他迭代器不会受到影响。

c 复制代码 
void TestListIterator1()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
	list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
	auto it = l.begin();
	while (it != l.end())
	{
		// erase()函数执行后，it所指向的节点已被删除，因此it无效，在下一次使用it时，必须先给
		//其赋值
		l.erase(it);
		++it;
	}
}
// 改正
void TestListIterator()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
    list<int> l(array, array+sizeof(array)/sizeof(array[0]));
    auto it = l.begin();
    
    while (it != l.end())
    {
        l.erase(it++); // it = l.erase(it);
    }
}

list的模拟实现

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，通过上面的学习，这些内容已基本掌握，现

在我们来模拟实现list。

c 复制代码 
#pragma once
template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
struct ReverseIterator {
	typedef ReverseIterator<Iterator, Ref, Ptr> self;
	//
	// 构造
	ReverseIterator(Iterator it)
		:_cur(it)
	{}
	//
	// 迭代器支持移动
	self& operator++()
	{
		--_cur;
		return *this;
	}
	self operator++(int)
	{
		self temp(*this);
		--_it;
		return temp;
	}

	self& operator--()
	{
		++_it;
		return *this;
	}

	self operator--(int)
	{
		self temp(*this);
		++_it;
		return temp;
	}
	//
	// 具有指针类似行为
	Ref operator*()
	{
		Iterator tmp = _cur;
		--tmp;
		return *tmp;
	}
	Ptr operator->()
	{
		return &(operator*());
	}
	//
	// 迭代器支持比较
	bool operator!=(const self& s)
	{
		return _cur != s.cur;
	}
	bool operator==(const self& s)
	{
		return _cur == s.cur;
	}

	Iterator _cur;
};
c 复制代码 
#include<iostream>
#include<assert.h>
#include"ReverseIterator.h"
using namespace std;
namespace jz {
	template<class T> 
	struct listnode {
		//成员属性
		listnode<T>* _next;
		listnode<T>* _prev;
		T _data;
		//成员函数
		listnode(const T& x = T())
			:_next(nullptr)
			,_prev(nullptr)
			,_data(x)
		{}
	};

	/*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oprator->()
		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
        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 != ()
	*/
	template<class T,class Ref,class Ptr>
	struct _list_iterator {
		//成员属性
		typedef listnode<T> Node;
		typedef _list_iterator<T,Ref,Ptr> self;
	public:
		//
		// 构造
		_list_iterator(Node* x)
			:_node(x)
		{}
		//
		// 迭代器支持移动
		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;
		}
		//
		// 具有指针类似行为
		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}
		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}
		//
		// 迭代器支持比较
		bool operator==(const self& s)
		{
			return _node == s._node;
		}
		bool operator!=(const self& s)
		{
			return _node != s._node;
		}


		Node* _node;
	};
	template<class T>
	class list {

	typedef listnode<T> Node;
	public:
		//正向迭代器
		typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
		//反向迭代器
		typedef ReverseIterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
		typedef ReverseIterator<const_iterator,const  T&,const T*> const_reverse_iterator;



		///
		// List的构造
		list()
		{
			empty_init();
		}
		list(list<T>& s)
		{
			empty_init();
			for (const auto& it : s)
			{
				push_back(it);
			}
		}
		list(int n, const T& value = T())
		{
			empty_init();
			for (int i = 0; i < n; ++i)
				push_back(value);
		}
		template <class Iterator>
		list(Iterator first, Iterator last)
		{
			empty_init();
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}
		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}
		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}
		///
		// List的迭代器
		iterator begin()
		{
			return _head->_next;
		}
		iterator end()
		{
			return _head;
		}
		const_iterator begin() const
		{
			return _head->_next;
		}
		const_iterator end() const
		{
			return _head;
		}
		reverse_iterator rbegin()
		{
			return reverse_iterator(end());
		}
		reverse_iterator rend()
		{
			return reverse_iterator(begin());
		}
		const_reverse_iterator rbegin() const
		{
			return reverse_iterator(end());
		}
		const_reverse_iterator rend() const
		{
			return reverse_iterator(begin());
		}
		///
		// List的容量相关
		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)
			{
				// 有效元素个数减少到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& x)
		{
			insert(end(), x);
		}
		void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(), x);
		}
		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}
		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}
		// 在pos位置前插入值为val的节点
		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{

			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;

			//prev cur next
			Node* newnode = new Node(x);
			prev->_next = newnode;
			newnode->_prev = prev;
			newnode->_next = cur;
			cur->_prev = newnode;

			return newnode;
		}
		// 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* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* next = cur->_next;

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

			delete cur;
			return next;
		}
		void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);
			}

		}
		void swap(list<T>& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
		}
	private:
		void empty_init()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
	private:
		Node* _head;
	};
	void print_list(const list<int>& lt)
	{
		list<int>::const_iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			//*it += 10;

			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;

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

		cout << endl;
	}

	void test()
	{
		list<int> l1;
		list<int> l2(10, 5);
		PrintList(l2);

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

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

		l1 = l4;
		PrintList(l1);
	}
}

欢迎留言！！！

（全文完)

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