【STL库源码剖析】list 简单实现

news2024/11/18 7:48:33

从此音尘各悄然

春山如黛草如烟

目录

list 的结点设计

list 的迭代器

list 的部分框架

迭代器的实现 

容量相关相关函数

实现 insert 在指定位置插入 val

实现 push_back 在尾部进行插入

实现 erase 在指定位置删除

实现 pop_back 在尾部进行删除

实现 list 的头插、头删 

实现 list 的访问首末元素

实现 list 的清空 clear

实现 list 的迭代器构造

list 的拷贝构造

list 的赋值构造

list 的链式构造

list 的 n 个 val 构造

全部代码展示：

 契子✨

上篇我们已经实现了 vector 的部分接口，相较于 vector 的连续空间，list 就显得复杂的多。主要体现在其迭代器的实现上

我们知道  vector 的空间是连续的，所以我们可以直接对原生指针进行操作，例如只需 ++ 就可以访问当前空间的下一个位置。而 list 因为空间是不连续的，所以我们不能直接使用 ++ 等迭代器的相关操作，必须对迭代器进行重新封装

list 的优点：每次安插或者删除一个元素，就配置或者释放一个元素的空间。因此 list 对空间的利用率有绝对的精华，一点都不浪费。而且对任何位置的元素安插或者元素移除，list 永远都是常数时间

list 的结点设计

学过数据结构的我们知道：list 的本身与 list 的结点是不同的结点，需要分开设计：

就是以下的设计：设置一个节点的前驱与后继指针、数据域

因为 list 支持所有类型，所以我们使用模板即可 ~

由于我们想要实现默认构造，可以由匿名对象 T() 来实现这个效果

T() 如果是自定义类的变量就会自动调用 T类型 的构造函数创造一个匿名对象，并用其为给引用 val 做初始化。因为 val 是一个 const 类的引用，所以它可以延长匿名对象的生命周期，简单来说 const 与 非const 对象都可以使用

	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode(const T& data = T())
			:_prev(nullptr),_next(nullptr),_data(data)
		{}
		ListNode<T>* _prev;
		ListNode<T>* _next;
		T _data;
	};

✨ 关于这里为什么用 struct 而不用我们 C++ 常用的 class，因为 struct  没有类域的限制，外部能够直接访问，而 class 默认就是 private 修饰，外部不能直接访问。但是我们 list 的操作需要频繁访问类中成员，比如修改结点指向、访问数据域等。虽然我们 calss 可以用 public 进行修饰，但是我们 C++ 的编程习惯就是需要频繁访问的类，直接用 struct 就可以了 -- 直接访问

list 的迭代器

list 不能够像 vector 一样以原生指针作为迭代器，因为其结点不保证在存储空间中连续存在。而 list 迭代器必须具备指向 list 结点，并有能力做正确的自增、自减、取值、成员取用等操作。简单来讲就是自增时指向下一个结点，自减时指向上一个结点，取值时就是访问当前结点的数据域 data 相当于（*），成员取用相当于（->）

那么我们该如何实现这样看起来很复杂的迭代器呢？

我们可以对 list 迭代器的性质进行分装💞

迭代器的性质：在 vector 中我们知道顺序表扩容会导致迭代器失效，因为 vector 会导致空间的重新配置。而我们的 list 的扩容操作相当于插入结点，这样并不会导致迭代器失效哦 ~ 例如：push_back、insert 等操作。但是注意：list 的删除操作（erase），也只有 [被指向删除元素] 的那个迭代器失效，其他迭代器不受影响 ~

废话不多说 ~ 让我们看看怎么实现的：

	template<class T, class Ref, class Ptr>
	struct ListIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> self;
		Node* _node; //迭代器內部当然要有一个原生指针，指向 list 的结点

		ListIterator(Node* node)
			:_node(node)
		{}
        
		bool  operator==(const self& x)
		{
			return _node == x._node;
		}

		bool operator!=(const self& x)
		{
			return _node != x._node;
		}
        //取节点的资料--数据域
		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}
        
		Ptr operator->()
		{
			return &(_node->_data);
		}
        //自增就是访问下一个结点
		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		self operator++(int)
		{
			self tmp = *this;
			++*this;
			return tmp;
		}
        //自减就是回退到上一个结点
		self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		self operator--(int)
		{
			self tmp = *this;
			--*this;
			return tmp;
		}

	};

可能有老铁会问 ~ 为什么我们的模板有三个参数

template<class T, class Ref, class Ptr>

因为我们要设置两个迭代器 const 与 非const 

一个模板参数来写的话，可以这样 ~

	template<class T>
	struct ListIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T> Self;

		Node* _node;
		ListIterator(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;
		}

		 T& operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

		T* operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}

		bool operator!=(const Self& it)
		{
			return _node != it._node;
		}

		bool operator==(const Self& it)
		{
			return _node == it._node;
		}
	};

不过还需在写一个 const 的版本，不过我们用三个模板参数就可以避免这个问题

因为只有（*）、（->）这两种运算符重载需要的返回值不同，所以我们只需要针对这两个返回值设置两个模板进行替换即可，就像以上操作

这样我们的迭代器已经封装好了，接下来我们在具体实现 list 的功能了

list 的部分框架

因为 list 不仅是一个单向的串列，而是一个环状单向串列（双向链表），所以它只需一个指标 _head 便可以完整的表示整个串列

	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> Node;
	public:
		typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

		void empty_initialize()
		{
			_head = new Node();
			_head->_prev = _head;
			_head->_next = _head;
		}
        //构造函数
		list()
		{
			empty_initialize();
		}
        //析构函数
		~list()
		{
			Node* cur = _head;
			while (cur != _head)
			{
				Node* next = cur->_next;
				delete cur;
				cur = next;
			}
			delete _head;
			cur = _head = nullptr;
		}

	private:
		Node* _head;
	};

可能有老铁会问 ~ 为什么我们要用一个函数 empty_initialize() 进行构造，原因是我们以后还需要复用，所以写成一个函数效率高

指针 _head 相当于我们双向循环链表的（哨兵位），我们只要让它刻意的指向尾端的一个空白结点，便能符合 STL 对 [前闭后开] 的区间要求，成为 end() 迭代器，而只需从 _head 的下一个结点开始就可以成为 begin() 迭代器

迭代器的实现 

		iterator begin()
		{
			return iterator(_head->_next);
		}

		const_iterator begin() const
		{
			return const_iterator(_head->_next);
		}

		iterator end()
		{
			return iterator(_head);
		}

		const_iterator end() const
		{
			return const_iterator(_head);
		}

然后一些 ~ 相关的接口函数就一并写在这里：

容量相关函数

		bool empty() const 
		{ 
			return _head->_next == _head;
		}

		size_t size() const
		{
			size_t count = 0;
			Node* cur = _head->_next;
			while (cur!=_head)
			{
				cur = cur->_next;
				++count;
			}
			return count;
		}

怎么样 ~ 学到这里有没有难住各位老铁们呢？

实现 insert 在指定位置插入 val

上图模拟了安插 新结点99 在 结点3 的位置上，简单来说 insert 就是插入指定位置之前的位置

虽然我们之前说过 insert 的操作并不会使迭代器失效，但是为了使 STL 其中的容器接口统一，还是要更新一下迭代器的位置

		iterator  insert(iterator pos, const T& val)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* newNode = new Node(val);

			prev->_next = newNode;
			newNode->_next = cur;

			newNode->_prev = prev;
			cur->_prev = newNode;

			return newNode;
		}

既然写出来了，那么最好的验证方法就是测试以下：（先来测试以下以上的案例）

但是呢 ~ 我们的迭代器不支持 + 哦（STL库没有提供）

不过呢，我们可以借助 find() 

不过这个 find() 需要我们自己在库中实现呢：

		iterator find(iterator first, iterator last, const T& val)
		{
				while (first != last) 
				{
					if (*first == val) return first;
					++first;
				}
				return last;
		}

给两个迭代器的区间范围进行查找，并返回查找位置的迭代器即可

我们再来测试一下：

void Test_List()
{
	list<int> str;
	str.push_back(0);
	str.push_back(1);
	str.push_back(2);
	str.push_back(3); 
	str.push_back(4); 
	for (auto i : str)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
	list<int>::iterator it = str.find(str.begin(), str.end(), 3);
	if(it != str.end())
	str.insert(it, 99);
	for (auto i : str)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
}

实现 push_back 在尾部进行插入

因为我们的 insert() 已经完成啦 ~ 所以这里就可以选择直接复用

		void push_back(const T& val)
		{
			insert(end(), val);
		}

当然你想自己写也可以 ~

		void push_back(const T& val)
		{
			Node* newNode = new Node(val);
			Node* tail = _head->_prev;

			tail->_next = newNode;
			newNode->_prev = tail;

			_head->_prev = newNode;
			newNode->_next = _head;
		}

代码测试：

void Test_List()
{
	list<int> str;
	str.push_back(0);
	str.push_back(1);
	str.push_back(2);
	str.push_back(3); 
	str.push_back(4); 
	for (auto i : str)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
}

实现 erase 在指定位置删除

移除元素对于我们来说还是比较简单的，就如下图移除 结点元素1 一样，只需找到删除当前的前驱与后继结点，然后两个结点相互（牵手）并与删除结点断掉联系，然后 delete 掉删除结点即可

注意：需要好好的断言一下哦 ~  不要删到最后出现乱码

因为 erase 操作导致被删除的那个结点的迭代器失效了，为了保证迭代器的正确性，我们需要提供被删除结点的下一个位置的迭代器 -- 才能使迭代器完好

		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;
			cur = nullptr;
			return next;
		}

代码测试：

void Test_List()
{
	list<int> str;
	str.push_back(0);
	str.push_back(1);
	str.push_back(2);
	str.push_back(3); 
	str.push_back(4); 
	for (auto i : str)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
	list<int>::iterator it = str.find(str.begin(), str.end(), 1);
	if (it != str.end())
	str.erase(it);
	for (auto i : str)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
}

实现 pop_back 在尾部进行删除

既然我们已经写好 erase 那么们能复用就复用吧

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

代码测试：

void Test_List()
{
	list<int> str;
	str.push_back(0);
	str.push_back(1);
	str.push_back(2);
	str.push_back(3); 
	str.push_back(4); 
	for (auto i : str)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
	str.pop_back();
	str.pop_back();
	for (auto i : str)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
}

实现 list 的头插、头删 

有道是

能复用绝不会自己写

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

		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}

push_front、pop_front 完全可以借助我们前面的 insert、erase 的操作，可以偷懒何乐而不为呢？

 代码测试：

void Test_List()
{
	list<int> str;
	str.push_front(0);
	str.push_front(1);
	str.push_front(2);
	str.push_front(3);
	str.push_front(4);
	for (auto i : str)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
	str.pop_front();
	str.pop_front();
	for (auto i : str)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
}

实现 list 的访问首末元素

list 底层使用的空间是不连续的，因此不能像 vector 那样能依靠下标直接访问空间中的元素， list 中只有首元素和尾元素可以直接访问，因为他们都是和头结点直接接触的，而其他结点的访问需要遍历链表，因此 C++ 中只给出了首元素和尾元素的访问函数，如果要访问其他元素，则需要用户自己去遍历

获取首元素 front：

		T& front() 
		{
			assert(size() != 0);
			return _head->_next->_data;
		}

		const T& front()const 
		{
			assert(size() != 0);
			return _head->_next->_data;
		}

获取末元素 back：

	T& back() 
	{
		assert(size() != 0);
		return _head->_prev->_data;
	}

	const T& back()const 
	{
		assert(size() != 0);
		return _head->_prev->_data;
	}

代码测试：

void Test_List()
{
	list<int> str;
	str.push_back(0);
	str.push_back(1);
	str.push_back(2);
	str.push_back(3);
	str.push_back(4);
	for (auto i : str)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
	cout << str.front() << endl;
	cout << str.back() << endl;
}


实现 list 的清空 clear

学过之前的知识我们都知道 clear 具有清空的功能，而我们链表可以循环删除来实现这个操作，不过要注意更新迭代器哦 ~

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

代码测试：

void Test_List()
{
	list<int> str;
	str.push_back(0);
	str.push_back(1);
	str.push_back(2);
	str.push_back(3);
	str.push_back(4);
	for (auto i : str)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
	str.clear();
	for (auto i : str)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
}

我们的 clear 操作也可以运用到我们的析构函数中

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

实现 list 的迭代器构造

与我们之前写的 vector 一样都有一个迭代器构造，简单来说也就是说对于一个已经由 list 实例化的 str 可以通过迭代器区间帮助还未初始化的 arr 初始化

首先构造一个 list 的对象，再将已知对象的迭代器区间结点尾插到我们需要初始化的对象上

		template <class Iterator>
		list(Iterator first, Iterator last)
		{
			empty_initialize();
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}

我们浅浅的测试一下：

void Test_List()
{
	list<int> str;
	str.push_back(0);
	str.push_back(1);
	str.push_back(2);
	str.push_back(3);
	str.push_back(4);
	for (auto i : str)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
	list<int> arr(++str.begin(), --str.end());
	for (auto i : arr)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
}

list 的拷贝构造

在写 list 之前呢 ~ 我们先来实现一下 swap 交换函数吧 ！

		void swap(list<T>& li)
		{
			std::swap(li._head, _head);
		}

我们实现 list 的拷贝一般都是深拷贝（拷贝的空间地址与原空间不一样）

所以先构造一个对象，在复用我们的迭代器构造，最后让我们的 *this 与之交换即可

		list(const list<T>& li)
		{
			empty_initialize();
			list<T> tmp(li.begin(), li.end());
			swap(tmp);
		}

代码测试：

void Test_List()
{
	list<int> str;
	str.push_back(0);
	str.push_back(1);
	str.push_back(2);
	str.push_back(3);
	str.push_back(4);
	for (auto i : str)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
	list<int> arr(str);
	for (auto i : arr)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
}

 通过调试我们可以看到：两块空间的地址是不一样的（说明我们的深拷贝是没有问题的）

老铁们学废了吗 

list 的赋值构造

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

赋值拷贝呢 -- 我们可以通过传值的技巧来解决，传值传参调用拷贝构造，构造出一个临时对象，然后将我们的 *this 与之交换即可

代码测试：

void Test_List()
{
	list<int> str;
	str.push_back(0);
	str.push_back(1);
	str.push_back(2);
	str.push_back(3);
	str.push_back(4);
	for (auto i : str)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
	list<int> arr;
	arr = str;
	for (auto i : arr)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
}

list 的链式构造

		list(initializer_list<T> il)
		{
			empty_initialize();
			for (const auto& i : il)
			{
				push_back(i);
			}
		}

代码测试：

void Test_List()
{
	list<int> arr = { 1,2,3,4,5,6 };
	for (auto i : arr)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
}

list 的 n 个 val 构造

		list(size_t n, const T& val = T())
		{
			empty_initialize();
			for (size_t i = 0; i < n; i++)
			{
				push_back(val);
			}
		}

		list(int n, const T& val = T())
		{
			empty_initialize();
			for (size_t i = 0; i < n; i++)
			{
				push_back(val);
			}
		}

关于我们为什么要写 int 类型的重载可以看看我的上篇文章：

因为编译器会调用更匹配的函数 ~ 比如那个迭代器的构造就很合适，为了避免这种情况，我们选择重载 int

代码测试：

void Test_List()
{
	list<int> arr(10, 1);
	for (auto i : arr)
	{
		cout << i << " ";
	}
	cout << endl;
}

list 的结构除了迭代器以外

其实与 vector 蛮相似的

全部代码展示：

#include<assert.h>
#include<list>
using std::initializer_list;
namespace Mack
{
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode(const T& data = T())
			:_prev(nullptr),_next(nullptr),_data(data)
		{}
		ListNode<T>* _prev;
		ListNode<T>* _next;
		T _data;
	};

	template<class T, class Ref, class Ptr>
	struct ListIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> self;
		Node* _node;

		ListIterator(Node* node)
			:_node(node)
		{}

		bool  operator==(const self& x)
		{
			return _node == x._node;
		}

		bool operator!=(const self& x)
		{
			return _node != x._node;
		}

		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

		Ptr operator->()
		{
			return &(_node->_data);
		}

		self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		self operator++(int)
		{
			self tmp = *this;
			++*this;
			return tmp;
		}

		self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		self operator--(int)
		{
			self tmp = *this;
			--*this;
			return tmp;
		}

	};

	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> Node;
	public:
		typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

		template <class Iterator>
		list(Iterator first, Iterator last)
		{
			empty_initialize();
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}

		void swap(list<T>& li)
		{
			std::swap(li._head, _head);
		}

		list(const list<T>& li)
		{
			empty_initialize();
			list<T> tmp(li.begin(), li.end());
			swap(tmp);
		}

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

		void empty_initialize()
		{
			_head = new Node();
			_head->_prev = _head;
			_head->_next = _head;
		}

		list()
		{
			empty_initialize();
		}

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

		list(initializer_list<T> il)
		{
			empty_initialize();
			for (const auto& i : il)
			{
				push_back(i);
			}
		}

		list(size_t n, const T& val = T())
		{
			empty_initialize();
			for (size_t i = 0; i < n; i++)
			{
				push_back(val);
			}
		}

		list(int n, const T& val = T())
		{
			empty_initialize();
			for (size_t i = 0; i < n; i++)
			{
				push_back(val);
			}
		}

		iterator begin()
		{
			return iterator(_head->_next);
		}

		const_iterator begin() const
		{
			return const_iterator(_head->_next);
		}

		iterator end()
		{
			return iterator(_head);
		}

		const_iterator end() const
		{
			return const_iterator(_head);
		}

		void push_back(const T& val)
		{
			insert(end(), val);
		}

		iterator find(iterator first, iterator last, const T& val)
		{
				while (first != last) 
				{
					if (*first == val) return first;
					++first;
				}
				return last;
		}

		iterator  insert(iterator pos, const T& val)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* newNode = new Node(val);

			prev->_next = newNode;
			newNode->_next = cur;

			newNode->_prev = prev;
			cur->_prev = newNode;

			return newNode;
		}

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

		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;
			cur = nullptr;
			return next;
		}

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

		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}

		bool empty() const 
		{ 
			return _head->_next == _head;
		}

		size_t size() const
		{
			size_t count = 0;
			Node* cur = _head->_next;
			while (cur!=_head)
			{
				cur = cur->_next;
				++count;
			}
			return count;
		}

		T& front() 
		{
			assert(size() != 0);
			return _head->_next->_data;
		}

		const T& front()const 
		{
			assert(size() != 0);
			return _head->_next->_data;
		}

		T& back() 
		{
			assert(size() != 0);
			return _head->_prev->_data;
		}

		const T& back()const 
		{
			assert(size() != 0);
			return _head->_prev->_data;
		}

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

	private:
		Node* _head;
	};

}

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