【C++】list类：模拟实现（适合新手的手撕list）

news2024/11/15 10:16:53

提示：在开始模拟实现list前，最好先熟悉下list相关接口：

【C++】容器list常用接口详解-CSDN博客https://blog.csdn.net/2301_80555259/article/details/141756824?spm=1001.2014.3001.5501

一.基本结构

二.构造函数

三.析构函数

四.迭代器的实现

五.const迭代器

六.修改操作

七.list和vector对比

一.基本结构

list类是一个带头双向循环链表，因此在定义list类前，先要定义节点类
节点类中的成员都是要面向外部访问的，因此都应该设置为public类，所以干脆这里直接定义为struct（成员都是public的class类）

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

在list类中，由于链表都是些链接关系，所以list类中只需要定义一个头结点head即可，当然此处为了方便后续操作，加入了size

list类的基本框架

template<class T>
class list
{
    //简化下list_node
	typedef list_node node;
public:

    //各种函数

private:
	node* _head;//头结点
    size_t _size;//有效数据个数
};

二.构造函数

如何初始化head?头结点一开始prev和next都是指向本身的

因此，无参构造能很轻易地写出来

//无参构造
list()
{
	_head = new node;
	_head->_prev = _head;
	_head->_next = _head;
    _size = 0;
}


//当然更这样写更好
//创建并初始化哨兵卫头结点，方便给构造和拷贝复用
void emptyinit()
{
	head = new node;
	_head->_prev = _head;
	_head->_next = _head;
    _size = 0;
}

//无参构造
list()
{
	emptyinit();
}

无参的构造写好以后，接下来就可以仿照STL库中的带参构造，写一个用迭代器区间初始化的构造函数：

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

拷贝构造有很多写法，这里给出两种写法：

//直接拷贝构造
list(const list& x)
{
	empty_init();
	for (auto e : x)
	{
		push_back(e);
	}
}

//利用临时对象拷贝构造
list(const list& x)
{
	emptyinit();
	//利用迭代器区间构造出一个临时对象tmp
	list tmp(x.begin(), x.end());
	std::swap(_head, tmp._head);
	std::swap(_size, tmp._size);
}

利用临时对象来进行拷贝构造实际上是一种精妙的方法，它先定义了一个临时变量tmp，利用迭代器区间构造深拷贝了x的所有值，随后将新创建节点的_head以及_size跟tmp交换即可，同时，出了作用域以后tmp作为临时对象就会销毁，调用析构函数，由于此时已经交换了，那么此时实际实在销毁原先新节点的内存。

三.析构函数

在实现析构函数前，可以先实现下clear函数，析构函数实际可以复用clear

//清空出了头节点外的数据
void clear()
{
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		it = erase(it);//erase会返回下一个节点的迭代器
	}
	_size = 0;
}
//清理头节点
~list()
{
	clear();
	delete _head;
	_head = nullptr;
}

四.迭代器的实现

之前模拟vector和string的时候，两者底层都是连续的，想要得到下一个数据直接++即可，想要得到数据直接*解引用即可

然而这对于list是不行的，因为它底层不连续，此时就需要我们重载各种运算符了，但由于其底层仍然是一个指针（内置类型，不能重载），因此我们就将其封装进一个类来重载

template<class T>
struct list_iterator
{
    //这里要加<T>
	typedef list_node<T> node;
    typedef list_iterator iterator;

	//成员变量
	node* _node;

	//成员函数
};

1.构造函数

//构造函数
list_iterator(node* node)
	:_node(node)
{}

2. 前置++/--和后置++/--

//前置++
iterator operator++()
{
	_node = _node->_next;
	return *this;
}
//后置++
iterator operator++(int)
{
	iterator tmp = *this;
	_node = _node->_next;
	return tmp;
}
//前置--
iterator operator--()
{
	_node = _node->_prev;
	return *this;
}
//后置--
iterator operator--(int)
{
	iterator tmp = *this;
	_node = _node->_prev;
	return tmp;
}

3.等于和不等于

//等于
bool operator==(const iterator& it)const
{
	return _node == it._node;
}
//不等于
bool operator!=(const iterator& it)const
{
	return _node != it._node;
}

4.解引用和箭头操作

迭代器的使用都是相同的，与指针相同，所以解引用迭代器得到的应该是节点数据。此外，当list存储的类型是结构体时，还应该支持->箭头操作。

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

指的注意的是，本来使用该迭代器需要用第一个->来找到data(当储存结构体类型时），然后再使用一个->才能查找到结构体内部的数据，但编译器为了代码的可读性，帮助我们省略了一个箭头，只需要一个箭头就可以访问数据了

做完这些后就可以将迭代器映射到list类当中了，在list类中复用迭代器类

typedef list_iterator iterator;
iterator begin()
{
	//使用匿名对象
	return iterator(_head->next);
}
iterator end()
{
	return iterator(_head);
}

五.const迭代器

const迭代器和普通迭代器的区别是什么？const迭代器是为const对象准备的，const对象进行了限制，不能修改对象里的数据，那么，什么操作会因此数据的改变呢？很明显是解引用操作和箭头->，它们一个返回值的引用（T&），一个返回的指针(T*)，都具备修改的可能,当然，begin()和end()也可能修改

大家第一时间想到的可能是再重写一个const迭代器的类，里面的实现和普通迭代器都一样，唯一不同的点在于赋值重载*和->时，返回的const修饰的值

然而这样做就会显得很臃肿，代码重复度很高，仔细观察不同点，仅仅在于T*和T&,那么不妨在原先的迭代器模板中再加入两个模板参数，只有在编写这两个函数时用到这两个参数

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct list_iterator
{
    //...
    Ref operator*()
    {
	    return _node->_data;
    }
    Ptr operator->()
    {
	    return &_node->_data;
    }
}

此时就能在list类中将普通迭代器和const迭代器区分开了，当使用const对象时，直接返回const迭代器，使用普通对象，就返回普通迭代器

template<class T>
class list
{
    //这里要加<T>
	typedef list_node<T> node;
public:

	typedef list_iterator<T,T&,T*> iterator;
	typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
    //...
    

private:
	node* _head;
	size_t _size;
};

iterator begin()
{
	//使用匿名对象
	return iterator(_head->next);
}
iterator end()
{
	return iterator(_head);
}
const_iterator begin()const
{
	return const_iterator(_head->next);
}
const_iterator end()const
{
	return const_iterator(_head);
}

六.修改操作

void push_back(const T& x)
{
	node* newnode = new node(x);
	node* tail = _head->_prev;
	tail->_next = newnode;
	_head->_prev = newnode;
	newnode->_prev = tail;
	newnode->_next = _head;
	++_size;
}

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	//pos是公开类，内部的_node可以用.访问
	node* prev = pos._node->_prev;
	node* next = pos._node;

	node* newnode = new node(x);
	newnode->_prev = prev;
	newnode->_next = next;
	prev->_next = newnode;
	next->_prev = newnode;

	++_size;
	return iterator(newnode);
}

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;
	return iterator(next);
}

//直接复用erase
void pop_back()
{
	erase(--end());
}
void pop_front()
{
	erase(begin());
}

七.list和vector对比

至此，list我们已经模拟完成，有没有加深一下对list的理解呢？在这里我们再对比一下list和vector的区别：

目录	vector	list
底层结构	顺序表，物理空间连续	带头双向循环链表，物理空间不连续
随机访问	支持，效率为O(1)	不支持，访问效率为O(N)
插入和删除	任一位置插入删除效率低	任一位置插入删除效率高
空间利用率	连续空间，缓存利用率高	不连续空间，容易造成内存碎片
迭代器	原生的指针	对原生指针的封装
迭代器失效	插入和删除都会失效	只有删除会失效
使用场景	高效储存，支持随机访问	有大量插入和删除操作，不关心随机访问