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本文将通过模拟实现List，从多个角度深入剖析其底层机制，详细讲解其内部实现原理和实际应用场景，帮助读者全面理解和掌握List的工作方式。
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文章目录
- 前文:List介绍
- 一、搭建创建List武器库
- 1.1 创建节点ListNode
- 1.2 迭代器ListIterator
- 1.2.1 自定义类型迭代器
- 1.2.2 交换语句
- 1.2.3 迭代器运算符重载
- 1.2.3.1 前置++与后置++
- 1.2.3.2 前置--与后缀--
- 1.2.3.4 *运算符重载
- 1.2.3.5 ==与!=运算符重载
- 二、正式模拟实现List
- 2.1 武器库使用
- 2.2 获得List开头和结尾迭代器
- 2.3 关于迭代器失效
- 2.4 insert
- 2.5 erase
- 2.6 复用insert与erase完成插入与删除
- 2.7 operator->重载
- 2.8 const_Iterator迭代器
- 2.8.1 实现const_Iterator迭代器
- 2.8.2 模板整合类型问题
- 2.9 打印链表元素
- 三、常规接口实现
- 3.1 构造函数
- 3.2 拷贝构造
- 3.3 operator= 赋值运算符
- 3.4 clear 清除
- 3.5 ~list 析构函数
- 3.6 size 查看当前链表元素个数
- 3.7 empty 判空
- List.h
前文:List介绍
list文档介绍
- list是可以在常数范围内在任意位置插入和删除的序列式容器，并且该容器可以前后双向迭代
- 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面一个元素和后一个元素
- 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
- 与其他的序列式容器相比，list通常在任意位置进行插入，移除元素的执行效率更好
- 与其他序列式容器相比，list和forward_list最大的缺陷式不支持任意位置的随机访问。
在模拟实现list过程中，为了避免跟库中list发生冲突，需要创建个命名空间，在命名空间中实现list。
namespace ls
{
class list
{
};
}
list的底层是双向链表结构，而链表是通过每个独立的节点利用指针连接在一起的数据结构。节点是组成链表基本单位。模拟实现带头双向循环链表，为了适应不同的数据类型，选择采用类模板。
一、搭建创建List武器库
1.1 创建节点ListNode
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode<T>* _next;
ListNode<T>* _prev;
T _data;
//创建节点，是传数据创建的
ListNode(const T& x = T())
:_next(nullptr)
,_prev(nullptr)
,_data(x)
{}
};
具体说明：为了适应不同类型的节点，将创建节点设计成类模板。访问限定符一般选用struct，由于默认访问权限是公开的，节点里面数据都是可以使用。当然使用class也是可以的，只需要将访问限定符设置为public。
节点对象实例化一般是传个数值，但是为了考虑类型和是否传参，可以设置一个全缺省构造函数
1.2 迭代器ListIterator
链表通过每个节点连接在一起，但这不能保证节点间地址是连续的。对此虽然原生指针是天然的迭代器，但是建立在物理空间连续的情况下
1.2.1 自定义类型迭代器
list<T> ::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
*it += 10;
cout << *it;
it++;
}
由于链表节点间物理空间不连续，使用原生指针作为迭代器不能满足++或–操作。节点间又是通过指针连接在一起的，那么可以将指针封装到类中，通过运算符重载重新定义运算符的行为，达成我们的需求。不采用内置类型迭代器，选择自定义类型迭代器，其中自定义类型迭代器内部是通过指针实现的。
template<class T>
struct ListIterator
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef ListIterator<T> Self;
Node* _node;
ListIterator(Node* node)
:_node(node)
{}
}
注意事项:
- 将通过
ListIterator类模板模拟实现迭代器，通过采用struct公开迭代器里面的数据ListIterator(Node* node)，这里迭代器的实现还是依赖指针，只是通过类封装改变运算符的行为，参数部分是传递指针类型（关键）- 其中迭代器是作为指向作用，申请资源不属于迭代器，而属于链表，不需要考虑析构的问题，迭代器就是玩数据
- 数据公开意味着，内部数据可以被任意修改。没人会去跳过封装，使用内部的数据，没有意义。不同编译器中底层实现是不一样的(实现逻辑、名称)，这本身就是一种隐式设置为私有的作用
1.2.2 交换语句
void swap(list<T>& it)
{
std::swap(_head, it._head);
std::swap(_size, it._size);
}
1.2.3 迭代器运算符重载
1.2.3.1 前置++与后置++
//前缀++
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
//后缀++
Self operator++(int)
{
//构造一个tmp临时变量
Self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
1.2.3.2 前置–与后缀–
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
//后缀--
Self operator--(int)
{
//构造一个tmp临时变量
Self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
具体说明:有拷贝构造就需要考虑深浅拷贝的问题。这里需要使用到浅拷贝，指向同一块空间，并且不需要考虑重复析构的问题，也说明了浅拷贝并都是坏处。临时对象tmp同指向一块空间，调用完临时对象被销毁，指向空间资源保留。这也导致了返回类型是指针还是引用。
1.2.3.4 *运算符重载
T& operator* ()
{
return _node->_data;
}
1.2.3.5 ==与!=运算符重载
//通过指针指向的节点去判断是否相等
bool operator==(const Self& it)
{
return _node == it._node;
}
bool operator!=(const Self& it)
{
return _node != it._node;
}
具体说明：
- 关于形参部分使用
const修饰，其一为了提醒对象顺序问题，其二在while(it != lt.end())中lt.end()调用返回临时对象具有常性，在参数部分进行接收将权限降低。- 迭代器间的比较并不是比较指向数据，而是比较迭代器指向的位置
二、正式模拟实现List
2.1 武器库使用
前面知识是为了我们实现List提供武器库
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
typedef ListIterator<T> Iterator;
private:
//创建哨兵位
Node* _head;
size_t _size;
};
武器使用:
- 关于
typedef ListNode<T> Node与typedef ListIterator<T> Iterator这两个类可以当作武器库，主要是为List类提供服务。那么对于ListIterator类来说ListNode<T> Node也是当作一个武器进行使用。- 对于带头双向循环链表，成员对象需要哨兵位和记录个数对象。
2.2 获得List开头和结尾迭代器
Iterator begin()
{
//return Iterator(_head->_next);
return _head->_next;
}
Iterator end()
{
//return Iterator(_head);
return _head;
}
具体说明:
- 由于正在使用自定义类型的迭代器，返回类型为Iterator自定义类型。返回类型可以写成Node*类型，单参数的拷贝构造函数支持隐式类型转换。
需要注意:
- 返回值没有传引用返回，由于该接口功能是返回开头和节点迭代器，如果传引用返回，会影响下一次调用该节点。我们不需要拿到这个位置的迭代器，只需要拿到这个位置的信息。
小插曲:隐式类型转换
list<int> :: Iterator it = (lt._head->_next);
由于_ head属于list类中的私有对象，不能直接的访问私有成员，通过公共接口访问。不同编译器底层实现是不同的，这也体现了封装的重要性。
2.3 关于迭代器失效
关于vector学习，我们知道在扩容或缩容的时候，可能会出现迭代器失效的问题。在list这里insert不会出现迭代器失效，但是erase就会出现迭代器失效。
关于解决不同编译器下erase导致迭代器失效的问题。方法有两个：迭代器失效以后，不要直接使用，如何要使用按照规则重新更新使用，返回被删除数据的迭代器。
2.4 insert
void insert(Iterator pos, const T& val)
{
Node* newnode = new Node(val);
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
newnode->_next = cur;
newnode-> _prev = prev;
cur->_prev = newnode;
prev->_next = newnode;
_size++;
}
这里跟数据结构实现双向链表任意位置插入数据的逻辑是一样的，不同的地方就是这里使用迭代器。
2.5 erase
//这些需要使用迭代器作为返回类型，怕出现迭代器失效
Iterator& erase(Iterator pos)
{
Node* cur = pos._node;
Node* next = cur->_next;
Node* prev = cur->_prev;
delete cur;
next->_prev = prev;
prev->_next = next;
_size--;
//注意点
return Iterator(next);
}
具体说明:这里跟数据结构实现双向链表任意位置删除数据的逻辑是一样的。
需要注意：返回类型需要使用迭代器类型，怕出现迭代器失效，返回下一个位置的迭代器
2.6 复用insert与erase完成插入与删除
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());
}
具体说明：
- 在vector实现push_back和pop_back时，通过begin和end得到迭代器指向的位置。返回变量为具有常性的临时变量，不能通过++或–对其修改。
- 在List中迭代器可以进行++或–操作，由于不是对临时对象本身进行修改，而是在运算符重载中改变了运算符的行为，修改是临时对象指向的内容。在vector中修改是对象本身当然是不信的。
2.7 operator->重载
给出场景:关于之前类模板实例化中模板参数为内置类型，这次将T改为自定义类型，注意A是自定义类型。
struct A
{
int a1 = 0, a2 = 0;
A(int a1,int a2)
:a1(1)
,a2(2)
{}
};
list<A> lt;
list<A> ::Iterator it = lt.begin();
lt.push_back(A(1,2));
lt.push_back({3,3});
while (it != lt.end())
{
cout << *it;
it++;
}
在进行cout << *it中得到该类对象，并没有得到内部数据，对此有两个解决措施:
(*it).a1直接访问成员- 流插入的运算符重载
我们希望得到的效果是第二种写法，第一种感觉会冗余
第一种:(*it).a1
第二种:it->_a1
重点梳理:
- 先梳理思路
list<A> ::Iterator it代表了it属于Iterator类对象。这里将it看成迭代器，其中*被运算符重载为_node->_data，其中_data类型就是自定义类型A。- 那么*it行为就是得到自定义类型A对象，通过
A对象.内部成员变量方式进行访问。- 对于第二种:也是想通过->运算符重载得到A类型对象，但是很奇怪，得到了A类型对象怎么去访问A类型对象中成员变量呢？对此编译器为了可读性，省略了一个->，实际上是这样子的
it.operator->()->_a1,编译器省略之后it->_a1就可以了，提高了可读性。
//返回A类型对象指针，很合理啦
T* operator->()
{
return &_node->_data;
}
2.8 const_Iterator迭代器
2.8.1 实现const_Iterator迭代器
关于迭代器相关接口已经实现完毕，如果我们需要实现个指向内容不可以被修改的迭代器呢？
思考问题：
- 我们为什么要用const_Iterator而不是const Iterator呢？
- const修饰迭代器，是迭代器本身不能被修改，还是迭代器指向内容不能被修改呢？
const Iterator begin() const
{
return _head->_next;
}
const Iterator end() const
{
return _head;
}
我们实现const版本迭代器目的就是为了指向内容不被修改。
分析过程：
- Iterator是一个类，如果在前面加const，它表示的意思是这个类对象本身不能被修改，而不是指向内容不能被修改。
- 实现链表的迭代器不是内置类型，而是自定义类型，在自定义类型前面使用const修饰代表本身不能被修改，会导致++或–运算符之类的运算符重载会失效。
- 指出问题:迭代器指向内容是否被修改，需要对实现迭代器的类里面解引用运算符重载进行const修饰
template<class T>
struct ListConIterator
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef ListConIterator<T> Self;
//只针对解引用 修改了迭代器的行为 但是++ --是将迭代器位置改变，迭代器指向的内容不能被修改
Node* _node;
//迭代器还是依赖指针，通过类来改变运算符的行为
//这里是浅拷贝 拷贝构造函数
ListIterator(Node* node)
:_node(node)
{}
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
//后缀++
Self operator++(int)
{
//构造一个tmp临时变量
Self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
//这里需要判断空
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
//
//后缀--
Self operator--(int)
{
//构造一个tmp临时变量
Self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
const T& operator* ()
{
return _node->_data;
}
//通过指针指向的节点去判断是否相等
bool operator==(const Self& it)
{
return _node == it._node;
}
bool operator!=(const Self& it)
{
return _node != it._node;
}
const T* operator->()
{
return &_head->_data;
}
};
具体说明:将解引用操作符重载的返回值用const修饰，保证返回的数据不能被修改。这里没有对++和–的返回值进行修饰，因为++和–并不直接影响迭代器的内容，是针对迭代器（it）本身。
2.8.2 模板整合类型问题
不足之处:对于Ierator类与const_Ierator类的解引用运算符重载大体功能相同，主要区别在于不同情况下需要使用返回值类型不同，实现两个类显得有点冗余。如果问题是在于类型上差异导致的，可以将两个封装到同一个类中，使用模板实现。
typedef ListIterator<T, T&, T*> Iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_Iterator;
template<class T,class Ref, class Ptr>
struct ListIterator
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef ListIterator<T,Ref,Ptr> Self;
Node* _node;
//迭代器还是依赖指针，通过类来改变运算符的行为
//这里是浅拷贝 拷贝构造函数
ListIterator(Node* node)
:_node(node)
{}
//Self& operator++()
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
//后缀++
Self operator++(int)
{
//构造一个tmp临时变量
Self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
//后缀--
Self operator--(int)
{
//构造一个tmp临时变量
Self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
// T& operator* ()
Ref operator* ()
{
return _node->_data;
}
//通过指针指向的节点去判断是否相等
bool operator==(const Self& it)
{
return _node == it._node;
}
bool operator!=(const Self& it)
{
return _node != it._node;
}
//T* operator->()
Ptr operator->()
{
return &_head->_data;
}
};
2.9 打印链表元素
void PrintList(const list<int>& clt)
{
list<int> ::Iterator it = clt.begin();
while (it != clt.end())
{
*it += 10;
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
三、常规接口实现
3.1 构造函数
void empty_init()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
_size = 0;
}
构造和拷贝构造都需要一份节点，那么可以复用一份
这里不需要对_data进行初始化，在new Node时已经完成
list()
{
empty_init();
}
3.2 拷贝构造
list(const list<T>& lt)
{
empty_init();
for (auto e : lt)
{
push_back(e);
}
}
3.3 operator= 赋值运算符
list<T>& operator=(list<T> it)
{
swap(it);
return *this;
}
3.4 clear 清除
void clear()
{
Iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
说明:
- 这里是简单的资源清除，没有删除哨兵位
- 同时在使用erase时，需要将下一个位置迭代器返回
3.5 ~list 析构函数
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
3.6 size 查看当前链表元素个数
//获得基本信息
size_t size()
{
return _size;
}
3.7 empty 判空
bool empty()
{
return _size == 0;
}
List.h
#include <iostream>
using namespace std;
//链表 任意位置插入 不怕迭代器失效
//链表 任意位置删除 怕迭代器失效 对此需要传下一个位置的迭代器
namespace bit
{
//节点
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode<T>* _next;
ListNode<T>* _prev;
T _data;
//创建节点，是传数据创建的
ListNode(const T& x = T())
:_next(nullptr)
,_prev(nullptr)
,_data(x)
{}
};
//template<class T>
//
template<class T,class Ref, class Ptr>
struct ListIterator
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef ListIterator<T,Ref,Ptr> Self;
Node* _node;
//迭代器还是依赖指针，通过类来改变运算符的行为
//这里是浅拷贝 拷贝构造函数
ListIterator(Node* node)
:_node(node)
{}
//Self& operator++()
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
//后缀++
Self operator++(int)
{
//构造一个tmp临时变量
Self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
//后缀--
Self operator--(int)
{
//构造一个tmp临时变量
Self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
// T& operator* ()
Ref operator* ()
{
return _node->_data;
}
//通过指针指向的节点去判断是否相等
bool operator==(const Self& it)
{
return _node == it._node;
}
bool operator!=(const Self& it)
{
return _node != it._node;
}
//T* operator->()
Ptr operator->()
{
return &_head->_data;
}
};
//template<class T>
//struct ListConIterator
//{
// typedef ListNode<T> Node;
// typedef ListConIterator<T> Self;
// //只针对解引用 修改了迭代器的行为 但是++ --是将迭代器位置改变，迭代器指向的内容不能被修改
// Node* _node;
// //迭代器还是依赖指针，通过类来改变运算符的行为
// //这里是浅拷贝 拷贝构造函数
// ListIterator(Node* node)
// :_node(node)
// {}
// Self& operator++()
// {
// _node = _node->_next;
// return *this;
// }
// //后缀++
// Self operator++(int)
// {
// //构造一个tmp临时变量
// Self tmp(*this);
// _node = _node->_next;
// return tmp;
// }
// //这里需要判断空
// Self& operator--()
// {
// _node = _node->_prev;
// return *this;
// }
// //
//
// //后缀--
// Self operator--(int)
// {
// //构造一个tmp临时变量
// Self tmp(*this);
// _node = _node->_prev;
// return tmp;
// }
//
// T& operator* ()
// {
// return _node->_data;
// }
// //通过指针指向的节点去判断是否相等
// bool operator==(const Self& it)
// {
// return _node == it._node;
// }
// bool operator!=(const Self& it)
// {
// return _node != it._node;
// }
// T* operator->()
// {
// return &_head->_data;
// }
//};
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
//typedef ListIterator<T> Iterator;
typedef ListIterator<T, T&, T*> Iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_Iterator;
//不要传引用，不要修改这些位置
Iterator begin()
{
//return Iterator(_head->_next);
//单参数的拷贝构造函数支持隐式类型转换
return _head->_next;
}
Iterator end()
{
//return Iterator(_head);
return _head;
}
const Iterator begin() const
{
return _head->_next;
}
const Iterator end() const
{
return _head;
}
const_Iterator begin() const
{
//return Iterator(_head->_next);
//单参数的拷贝构造函数支持隐式类型转换
return _head->_next;
}
const_Iterator end() const
{
//return Iterator(_head);
return _head;
}
//构造-->同时拷贝需要也需要一份节点 那么就可以复用同一份
void empty_init()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
//不需要 newndoe->date 在实例化时，data已经是0了
_size = 0;
}
list()
{
empty_init();
}
//拷贝构造
list(const list<T>& lt)
{
empty_init();
for (auto e : lt)
{
push_back(e);
}
}
list<T>& operator=(list<T>& it)
{
swap(it);
return *this;
}
void swap(list<T>& it)
{
std::swap(_head, it._head);
std::swap(_size, it._size);
}
//通过迭代器来实现
void insert(Iterator pos, const T& val)
{
Node* newnode = new Node(val);
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
newnode->_next = cur;
newnode-> _prev = prev;
cur->_prev = newnode;
prev->_next = newnode;
_size++;
}
//这些需要使用迭代器作为返回类型，怕出现迭代器失效
Iterator& erase(Iterator pos)
{
Node* cur = pos._node;
Node* next = cur->_next;
Node* prev = cur->_prev;
delete cur;
next->_prev = prev;
prev->_next = next;
_size--;
//注意点
return Iterator(next);
}
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());
}
void clear()
{
Iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
//获得基本信息
size_t size()
{
return _size;
}
bool empty()
{
return _size == 0;
}
private:
//创建哨兵位
Node* _head;
size_t _size;
};
struct A
{
int a1 = 0, a2 = 0;
A(int a1 , int a2)
:a1(1)
,a2(2)
{}
};
void PrintList(const list<int>& clt)
{
list<int> ::Iterator it = clt.begin();
while (it != clt.end())
{
*it += 10;
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
void list_test()
{
//list<int> it;
先插入
//it.push_back(1);
//it.push_back(2);
//list<int> :: Iterator lt = it.begin();
//A* ptr = &a1
// (*ptr).a1;
// ptr->_a1
//返回的是临时变量 是一份临时拷贝 具有常性
list<A> lt;
list<A> ::Iterator it = lt.begin();
lt.push_back(A(1,2));
lt.push_back({3,3});
while (it != lt.end())
{
cout << *it;
it++;
}
}
}
以上就是本篇文章的所有内容，在此感谢大家的观看！这里是店小二呀C++笔记，希望对你在学习C++语言旅途中有所帮助！
