C++初阶学习——探索STL奥秘——模拟实现list类

news2024/9/24 19:15:12

1、基本框架

list 由三个类构建而成:

节点类:每个节点必须的三部分(指向前一个节点的指针、指向后一个节点的指针、当前节点存储的数据)

迭代器类:此时的迭代器为双向迭代器，比较特殊，需要对其进行封装，如 it++并非使迭代器单纯向后移动，而是让其指向下一个节点

链表类:实现链表各项功能的类，为主要部分

1.1、节点类

节点类在设计时，需要确定三个成员和构造函数，用来生成类

//节点类
template<class T>
struct __list_node
{
	__list_node(const T& data = T())
		:_prev(nullptr)
		,_next(nullptr)
		,_data(data)
	{}

	__list_node<T>* _prev;	//指向前一个节点
	__list_node<T>* _next;	//指向后一个节点
	T _data;	//存储相应数据
};

注意: 节点的创建与销毁，不在节点类中进行，因此不需要写析构函数

1.2、迭代器类

迭代器类中的成员为节点类指针，指向单个节点，同样的，选代器类也需要提供构造函数 

//迭代器类
template<class T>
struct __list_iterator
{
	typedef __list_node<T>* link_type;	//对节点类的指针，进行重命名

	__list_iterator(link_type node)
		:_node(node)
	{}

	link_type _node;
};

注意: 迭代器只是一个辅助工具，指向的是节点，同样不需要提供析构函数，析构相关事宜交给链表类处理就好

1.3链表类

链表类中也只用有一个成员变量:哨兵位节点(头节点)

//list本类
template<class T>
class list
{
	typedef __list_node<T> node;	//节点
	typedef T value_type;	//模板参数值
	typedef T& refence;	//引用
	typedef const T& const_refence;	//const 引用

private:
	node* _head;	//哨兵位节点（头节点）
};

2、默认成员函数

默认成员函数中包含了默认构造、带参构造、拷贝构造、赋值重载和析构函数

析构函数只负责释放链表中的节点，而其他默认成员函数负责 构造/构建出其他对象

因为有很多构造函数中都需要对创建出头节点，所以此时 需要先构建出一个空初始化函数empty init()，这个函数只能在类中使用

因此设为 private

private:
	//初始化出头节点
	void empty_init()
	{
		_head = new node;
		_head->_prev = _head->_tail = _head;
	}

其他构造函数在构造对象前，可以先调用此函数

比如默认构造函数， 构成出一个空对象

//默认构造函数
list() { empty_init(); }

对于带参构造函数，在构造对象前，仍需要调用 empty_init()构建头节点
参数:

size_t n 对象中包含 n 个数据
const reference val 数据值

为了避免与后续的迭代器区间构造起冲突，这里需要再额外提供一个 int版本

//带参构造函数(value_type)，此处的value_type指的就是就是模版参数T
list(value_type n, const_refence val = value_type())
{
	empty_init();
	while (n--) push_back(val);
}
//为了避免与迭代器区间构造函数冲突，提供额外版本(int)
list(int n, const_refence val = value_type())
{
	empty_init();
	while (n--) push_back(val);
}

在实际创建 list 对象时，多使用迭代器区间进行构造，因为是创建新对象，所以可以直接调用尾插进行创建 

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

关于拷贝构造和赋值重载，可以使用现代写法

//交换
void swap(list<T>& tmp)
{
	std::swap(_head, tmp._head);
}
//拷贝构造---现代写法
list(const list<T>& x)
{
	empty_init();
	list<T> tmp(x.begin(), x.end());
	swap(tmp);
}
//赋值重载---现代写法
list<T>& operator=(list<T> tmp)
{
	swap(tmp);
	return *this;
}

 注意:

以上几种构造函数都是在创建新对象，因此在构建前，需要先调用 empty_init()初始化出头节点

为了避免 list(int，int)匹配上迭代器区间构造，可以再额外提供一个int版的带参构造函数。

拷贝构造的参数必须使用引用，否则会造成无穷递归问题

至于析构函数的实现就很简单了，直接使用函数 clear()释放节点，最后再释放头节点即可

//析构函数
~list()
{
	clear();	//后续会对这个函数的实现进行讲解
	delete _head;
	_head = nullptr;
}

3、迭代器设计 

 3.1、多参数模板

list 的模拟实现精华在于迭代器类的设计，而迭代器类中的精华在于多参数模板，这种传多模板参数的方法，巧妙的解决了正常对象与const 对象的冗余设计问题

选代器分为 iterator 和 const iterator，不同的对象调用不同的迭代器类型，假设不使用多参数模板，就需要实现两份相差不大的迭代器类(完全没有必要)

T:节点中值的普通类型

Ref :节点中值的引用类型(可为const）

Ptr:节点中值的指针类型(可为const）

//迭代器类
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
	typedef __list_node<T>* link_type;
	typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;

		__list_iterator(link_type node)
		:_node(node)
	{}

	link_type _node;
};

//=====迭代器设计=====（list 类中）
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;	//声明两种不同的迭代器
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

他是一个要单独存在的类

注意: 节点类及迭代器类都是使用 struct 定义的，目的是为了开放其中的成员
list 类中的迭代器相关函数也有两种:

普通版本与 const 版本

规定:

begin()为 list 的头节点的下一个节点

end()是 list 的头节点

返回类型都为迭代器对象，因此可以使用匿名对象进行构造

//=====迭代器设计=====
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

iterator begin() { 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); }

迭代器分类:

单向迭代器:支持++或--其中一种移动方式
双向迭代器:支持++及--两种移动方式
随机迭代器:不仅支持 ++ 和 -，还支持迭代器 +n、-n

只有随机选代器才能使用 std::sort 进行快速排序 

3.2双向迭代器

对于双向链表，我们要实现双向迭代器

self& operator++();	//前置++

self& operator--();	//前置--

self operator++(int);	//后置++

self operator--(int);	//后置--

list 中的双向迭代器在进行移动时也比较特殊，不像之前的 string 和 vector 是连续空间(移动直接调用内置 ++/--)
list 为非连续空间，迭代器在移动时为前后节点间的移动，使用内置 ++/-- 会引发严重的迭代器越界问题
因此才需要将迭代器单独封装为一个类，实现我们想要的效果 

实现代码：

self& operator++()
{
	_node = _node->_next;

	return *this;
}

self& operator--()
{
	_node = _node->_prev;

	return *this;
}

self operator++(int)
{
	self tmp(_node);

	//++_node;	//谨防错误写法
	//_node = _node->_next;	//正确写法1
	++(*this);	//正确写法2
	return tmp;
}

self operator--(int)
{
	self tmp(_node);

	//--_node;	//谨防错误写法
	//_node = _node->_prev;	//正确写法1
	--(*this);	//正确写法2
	return tmp;
}

 注意：

//以下是后置++的错误写法
self operator++(int)
{
	self tmp(_node);

	++_node;	//错误写法
	return tmp;
}

node 是一个节点指针，非迭代器对象，++ node 不是在调用 operator++()，而是在调用内置的前置 ++(节点指针没有像迭代器一样进行重载)，直接++就指向了非法空间

解决方案:

1.手动实现节点的移动:
node = node-> next

2.调用迭代器类的前置 ++:
++(*this) 

3.3指向结构体成员功能

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

运用场景： 

当 list 中的对象为自定义类型时，，想直接通过 it->访问其中的成员

struct A
{
	A(int a = int(), double b = double(), char c = char())
		:_a(a)
		,_b(b)
		,_c(c)
	{}

	int _a;
	double _b;
	char _c;
};

void TestList()
{
	list<A> lt;
	lt.push_back(A(1, 2.2, 'A'));
	
	auto it = lt.begin();
	cout << (*it)._a << endl;	//不使用 operator->() 比较别扭
	cout << it->->_b << endl;	//这种写法是真实调用情况
	cout << it->_c << endl;	//编译器直接优化为 it->
}

3.4迭代器总代码

//迭代器类
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
	typedef __list_node<T>* link_type;
	typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;

	__list_iterator(link_type node)
		:_node(node)
	{}

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

	Ptr operator->()
	{
		return &(operator*());
	}

	self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;

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

		return *this;
	}

	self operator++(int)
	{
		self tmp(_node);
		
		//++_node;	//谨防错误写法
		//_node = _node->_next;	//正确写法1
		++(*this);	//正确写法2
		return tmp;
	}

	self operator--(int)
	{
		self tmp(_node);

		//--_node;	//谨防错误写法
		//_node = _node->_prev;	//正确写法1
		--(*this);	//正确写法2
		return tmp;
	}

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

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

	link_type _node;
};

4.容量

list 中的容量访问有:判空和大小
实现判空:判断当前的 begin()与 end()是否相同
统计大小:利用迭代器将整个 list 遍历一遍，计数统计即可

//=====容量相关=====
bool empty() const { return begin() == end(); }
size_t size() const 
{
	int cnt = 0;
	auto it = begin();	//使用 auto 自动推导迭代器类型
	while (it != end())
		++it, ++cnt;

	return cnt;
}

5、数据访问

STL 库中给 list 提供了两种数据访问方式:访问首个数据和访问最后一个数据

//=====数据访问=====
refence front() { return *begin(); }
const_refence front() const { return *begin(); }

refence back() { return *(--end()); }
const_refence back() const { return *(--end()); }

6、数据修改相关

只需要找到对应节点的位置，插入/删除本质上就是在进行前后节点的链接关系修改

6.1、头尾插删

头尾插删是在对 begin()和 --end()所指向的节点进行操作，尾部插入/头部删除，逻辑一致，尾部删除/头部删除 逻辑一致学会其中一个就够用了

尾部插入步骤:

根据传入的数值，构建出新尾节点 new_back
找到原链表中的尾节点 old_back
在 old back、new back、 head 间建立链接关系即可

头部插入逻辑与尾部插入基本一致，不过找的是 old_front 头节点

//尾插
void push_back(const_refence val)
{
	node* new_back = new node(val);

	node* old_back = _head->_prev;

	old_back->_next = new_back;	//原尾节点的 _next 指向新尾节点
	new_back->_prev = old_back;	//新尾节点的 _prev 指向原尾节点

	new_back->_next = _head;	//新尾节点的 _next 指向头节点
	_head->_prev = new_back;	//头节点的 _prev 指向新尾节点
}

尾部删除步骤：

断言当前 list 不为空，如果为空，就报错

选择原来的尾节点 old_back-> head-> prev

确定新的尾节点 new back->old back->prev

在 new_back 与 head 之间建立链接关系

最后在释放原来的尾节点 old back

头删时，逻辑基本一致，不过选择的是old_front与 new_front 

//尾删
void pop_back()
{
	assert(!empty());

	node* old_back = _head->_prev;	//选择原尾节点
	node* new_back = old_back->_prev;	//确定新尾节点

	new_back->_next = _head;	//新尾节点的 _next 指向头节点
	_head->_prev = new_back;	//头节点的 _prev 指向新尾节点

	delete old_back;
}

6.2、任意位置插删

任意位置插入就是在插入操作的基础上添加了迭代器pos进行定位

在 pos位置前插入

根据传入值，创建出新节点 new_node

确定当前 pos 位置的节点 pos_cur

确定当前 pos 位置的上一个节点 pos_prev

在 pos_prev、new_node、pos_cur 间建立链接关系

最后返回当前插入新节点的位置

//任意位置插入
iterator insert(iterator pos, const_refence val)
{
	node* new_node = new node(val);	//创建新节点

	node* pos_cur = pos._node;	//当前 pos 位置的节点
	node* pos_prev = pos_cur->_prev;	//pos 的前一个节点

	pos_prev->_next = new_node;	
	new_node->_prev = pos_prev;

	new_node->_next = pos_cur;
	pos_cur->_prev = new_node;

	return iterator(new_node);	//最后返回的是一个迭代器对象
}

任意位置删除逻辑与 尾删/头删 基本一致
首先断言 list 是否为空
分别确定当前节点 pos_cur，上一个节点 pos_prev，
下一个节点 pos_next
在上下节点 pos_prev 和 pos_next 间建立链接关系
删除当前节点 pos_cur
返回己删除节点下一个节点，即pos_next

//任意位置删除
iterator erase(iterator pos)
{
	assert(!empty());

	node* pos_cur = pos._node;

	node* pos_prev = pos_cur->_prev;
	node* pos_next = pos_cur->_next;

	pos_prev->_next = pos_next;
	pos_next->_prev = pos_prev;

	delete pos_cur;

	return iterator(pos_next);
}

list 的插入操作没有迭代器失效问题，删除操作也仅仅是影响被删除节点的迭代器，返回值是为了更好的进行操作
注意:
之前提到的 尾部插入/删除、头部插入/删除 可以复用任意位置插入/删除

//尾插
void push_back(const_refence val)
{
	insert(end(), val);
}

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

//头插
void push_front(const_refence val)
{
	insert(begin(), val);
}

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

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