【C++】list的模拟实现来咯

news2024/12/25 10:18:57

文章目录

    • 一、整体框架
    • 二、迭代器
      • 1、list迭代器的引入
      • 2、迭代器的区分
      • 3、list迭代器的实现
      • 4、模板
    • 三、增删查改
      • 1、insert和erase
      • 2、push_back和push_front
      • 3、pop_back和pop_front
    • 四、list的接口
      • 1、构造
      • 2、析构
      • 3、赋值重载
    • 五、list和vector的对比

一、整体框架

list的本质就是带头双向循环链表，我们直接来看一看整体框架：

namespace hwc
{
    //结点
	template<class T>
	struct list_node
	{
		list_node* _next;
		list_node* _prev;
		T _data;

		list_node(const T& x)
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _data(x)
		{}
	};

	template<class T>
	class list
	{
		typedef list_node<T> node;
	public:
        //迭代器
		typedef __list_iterator<T> iterator;
        typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;
        //构造
		list()
		{
			_head = new node(T());
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
	private:
		node* _head;
        size_t _size;
	};
}

第一个要实现测试的是push_back，后面可以直接复用insert()：

尾插就是把新结点和原来的尾结点和头结点进行链接，这是我们很熟悉的了，直接动手实现：

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

image-20221210091750913

这个接口是最基础的，有了这个接口，我们对于后面的实现更加容易。

二、迭代器

1、list迭代器的引入

把原生指针直接命名为迭代器？迭代器的价值在于封装底层的实现，不具体暴露底层的实现细节，提供统一的访问方式。

对于vector和string类而言，物理空间是连续的，原生的指针就是迭代器了（不一定哦，只是可能，版本可能不同），解引用就是数据了。但是对于这里的list而言，空间是不连续的，我们知道，迭代器有两个特征：1.解引用2.++ /–

此时如果解引用是拿不到数据的（空间不连续），更不用说++指向下一个结点了。所以，对于list的迭代器，原生指针已经不符合我们的需求了，我们需要去进行特殊处理：进行类的封装。我们可以通过类的封装以及运算符重载支持，这样就可以实现像内置类型一样的运算符。

2、迭代器的区分

const迭代器需要在这里重新说明一遍：

//1.const T* p1
list<int>::const_iterator cit = lt.begin();
//2.T* const p2
const list<int>::iterator cit = lt.begin();
//不符合const迭代器的行为，因为保护迭代器本身不能修改，那么我们也就不能++迭代器

灵魂拷问：const迭代器是p1还是p2？p1

const迭代器类似p1的行为，保护指向的对象不被修改，迭代器本身可以修改

3、list迭代器的实现

迭代器的实现我们需要去考虑普通迭代器和const迭代器。这两种迭代器的不同，也会带来不同的接口。我们可以分别单独去进行实现，我们先来看一看简单的构造迭代器，只需要提供一个结点即可,看一看实现的基本框架：

    template<class T>
	struct __list_iterator
	{
		typedef list_node<T> node;
		node* _pnode;

		__list_iterator(node* p)
			:_pnode(p)
		{}
    }

注意：对于迭代器的拷贝构造和赋值重载我们并不需要自己去手动实现，编译器默认生成的就是浅拷贝，而我们需要的就是浅拷贝，这也说明了，并不是说如果有指针就需要我们去实现深拷贝。另外，迭代器通过结构体指针访问修改链表，所以，对于迭代器我们并不需要构造函数，结点的释放由链表管理。

下面，我们来看看迭代器所需要的重载运算符：

重载*

这个比较简单，就是要获取迭代器指向的数据，并且返回数据的引用：

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

重载++、–、！=

	   __list_iterator<T>& operator++()
		{
			_pnode = _pnode->_next;
			return *this;
		}

		__list_iterator<T>& operator--()
		{
			_pnode = _pnode->_prev;
			return *this;
		}

		bool operator!=(const __list_iterator<T>& it)
		{
			return _pnode != it._pnode;
		}

如果按照上面的做法，我们在来看看此时普通迭代器和const迭代器的区别：

//typedef __list_iterator<T> iterator;
//typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;
    template<class T>
	struct __list_iterator
	{
		typedef list_node<T> node;
		node* _pnode;

		__list_iterator(node* p)
			:_pnode(p)
		{}

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

		__list_iterator<T>& operator++()
		{
			_pnode = _pnode->_next;
			return *this;
		}

		__list_iterator<T>& operator--()
		{
			_pnode = _pnode->_prev;
			return *this;
		}

		bool operator!=(const __list_iterator<T>& it)
		{
			return _pnode != it._pnode;
		}
	};

	//跟普通迭代器的区别：遍历，不能用*it修改数据
	template<class T>
	struct __list_const_iterator
	{
		typedef list_node<T> node;
		node* _pnode;

		__list_const_iterator(node* p)
			:_pnode(p)
		{}

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

		__list_const_iterator<T>& operator++()
		{
			_pnode = _pnode->_next;
			return *this;
		}

		__list_const_iterator<T>& operator--()
		{
			_pnode = _pnode->_prev;
			return *this;
		}

		bool operator!=(const __list_const_iterator<T>& it)
		{
			return _pnode != it._pnode;
		}
	};

如果是这样子去实现的话，我们就会发现，这两个迭代器的实现并没有多大的区别，唯一的区别就在于operator*的不同。const迭代器和普通迭代器的唯一区别就是普通迭代器返回T&，可读可写，const迭代器返回const T&,可读不可写，上面的代码存在很大的问题：代码冗余，所以我们应该去解决这个问题：我们可以参考源码的实现：类模板参数解决这个问题，这也是迭代器的强大之处

4、模板

template <class T,class Ref,class Ptr>
//typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
//typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

同一个类模板，此时我们传递不同的参数实例化成不同的迭代器了！！！这解决了我们刚刚所说的代码冗余问题。

    //  typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
	//  typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
	template<class T, class Ref, class Ptr>
	struct __list_iterator
	{
		typedef list_node<T> node;
		typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;
		node* _pnode;
		__list_iterator(node*p)
			:_pnode(p)
		{
		}
		//返回数据的指针
		Ptr operator->()
		{
			return &_pnode->_data;
		}
		//模板参数做返回值
		Ref operator *()
		{
			return _pnode->_data;
		}

		//++it
		Self& operator ++()
		{
			_pnode = _pnode->_next;
			return *this;
		}

		//it++
		Self operator ++(int)
		{
			Self tmp(*this);
			_pnode = _pnode->_next;
			return tmp;
		}

		Self& operator--()
		{
			_pnode = _pnode->_prev;
			return *this;
		}

		Self operator--(int)
		{
			Self tmp(*this);
			_pnode = _pnode->_prev;
			return tmp;
		}

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

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

重载->问题：

对于内置类型我们可以通过*解引用访问数据，但是如果是自定义类型，我们访问其中的成员，就需要重载->:

struct Pos
{
    int _row;
	int _col;
	Pos(int row = 0, int col = 0)
        :_row(row)
		, _col(col)
		{}
};
void test_list()
{
    int x = 5;
    int*p=&x;
    cout<<*p1<<endl;
    list<Pos> lt;
	Pos p1(1, 1);
	lt.push_back(p1);
	lt.push_back(p1);
	lt.push_back(p1);
	lt.push_back(Pos(2, 2));
	lt.push_back(Pos(3, 3));
	list<Pos>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
    {
        it->_row++;
		//cout << (&(*it))->_row << ":" << (*it)._col << endl;
		cout << it->_row << ":" << it->_col << endl;
		//cout << it.operator->()->_row << ":" << it->_col << endl;
		++it;
    }
    cout << endl;
}

对于内置类型（如上面的int），我们自然可以通过解引用访问。对于结构体指针，我们也可以（*it）对象.去进行访问成员，但是想通过->访问成员，我们就需要去进行重载了：

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

image-20221208102139457

实际上本来应该是it->->_row，但是这样写可读性太差，也不好用，所以编译器做了优化，省略了一个->。

三、增删查改

1、insert和erase

insert：在pos位置上一个插入，返回插入位置的迭代器，对于list的insert迭代器不会失效，vector失效是因为扩容导致pos位置造成野指针问题。

		iterator insert(iterator pos,const T& x)
		{
			node* newnode = new node(x);
			node* cur = pos._pnode;
			node* prev = cur->_prev;

			newnode->_prev = prev;
			prev->_next = newnode;
			newnode->_next = cur;
			cur->_prev = newnode;

			++_size;
			return iterator(newnode);
		}

image-20221210092443015

erase:这里的带头（哨兵位）头结点不可删除，返回值是删除位置的下一个，对于list的erase迭代器是失效的

		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());
			node* prev = pos._pnode->_prev;
			node* next = pos._pnode->_next;

			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete pos._pnode;
			--_size;
			return iterator(next);
		}

2、push_back和push_front

push_back我们前面已经实现过了，这个地方只需要复用insert即可

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

			newnode->_prev = tail;
			tial->_next = newnode;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;*/
			insert(end(), x);
		}

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

对于end和begin的位置：

image-20221210093213762

3、pop_back和pop_front

尾删和头删，复用erase即可

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

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

这里的尾删刚好用上了我们的重载–

四、list的接口

1、构造

默认构造

list()
{
    _head = new node(T());
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	_size = 0;
}

我们可以用empty_initialize()来封装初始化，方便复用，不用每次都写：

void empty_initialize()
{
    _head = new node(T());
    _head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	_size = 0;
}

迭代器区间构造

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

拷贝构造

传统写法

		list(const list<T>& lt)
		{
			empty_initialize();
			for (const auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}

用范围for进行尾插，但是要注意要加上&，范围for是*it赋值给给e，又是一个拷贝，e是T类型对象，依次取得容器中的数据，T如果是string类型，不断拷贝，push_back之后又销毁。

现代写法

		void swap(list<T>& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
			std::swap(_size, lt._size);
		}		
		list(const list<T>& lt)
		{
			empty_initialize();
			list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
			swap(tmp);
		}

2、析构

对于list，有单独的clear()接口，list的析构可以直接复用clear()，同时还需要我们去释放掉头结点：

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

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

3、赋值重载

传统写法

		list<T>& operator=(list<T>& lt)
		{
			if (this != &lt)
			{
				clear();
				for (const auto& e : lt)
				{
					push_back(e);
				}
			}
			return *this;
		}

现代写法

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

类名和类型问题

查看官方文档，我们可以看到list没有类型：

image-20221210084548413

list<T>& operator=(list<T> lt)
list& operator=(list lt)

对于普通类：类名等价于类型,对于类模板：类名不等价于类型（如list模板，类名：list 类型：list）

类模板里面可以用类名代表类型，但是并不建议，在类外面则必须要带模板参数list

五、list和vector的对比

vector:vector的优点在于下标的随机访问，尾插尾删效率高，CPU高速缓存命中高。而缺点在于前面部分插入删除数据效率低O(N)，扩容有消耗，还存一定空间浪费。

list:list的优点在于无需扩容，按需申请释放，在任意位置插入删除O(1)。缺点在于不支持下标的随机访问，CPU高速缓存命中低。

vector和list的关系就想是在互补配合！

vectorlist
底 层 结 构动态顺序表，一段连续空间带头结点的双向循环链表
随 机 访 问支持随机访问，访问某个元素效率O(1)不支持随机访问，访问某个元素 效率O(N)
插 入 和 删 除任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间复杂 度为O(N)，插入时有可能需要增容，增容：开辟新空 间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低任意位置插入和删除效率高，不 需要搬移元素，时间复杂度为 O(1)
空 间 利 用 率底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利用率 高，缓存利用率高底层节点动态开辟，小节点容易 造成内存碎片，空间利用率低， 缓存利用率低
迭 代 器原生态指针对原生态指针(节点指针)进行封装
迭 代 器 失 效在插入元素时，要给所有的迭代器重新赋值，因为插入 元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，删 除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效插入元素不会导致迭代器失效， 删除元素时，只会导致当前迭代器失效，其他迭代器不受影响
使 用 场 景需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率大量插入和删除操作，不关心随 机访问

而对于string的insert和erase迭代器也会失效跟vector类似。但是我们并不太关注。因为string的接口参数大部分是下标支持，迭代器反而用得少。

list.h

#pragma once
namespace hwc
{
	template <class T>
	struct list_node
	{
		list_node<T>* _next;
		list_node<T>* _prev;
		T _data;

		list_node(const T& x)
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _data(x)
		{
		}
	};


	//	typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
	//  typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
	template<class T, class Ref, class Ptr>
	struct __list_iterator
	{
		typedef list_node<T> node;
		typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;
		node* _pnode;
		__list_iterator(node*p)
			:_pnode(p)
		{
		}
		//返回数据的指针
		Ptr operator->()
		{
			return &_pnode->_data;
		}
		//模板参数做返回值
		Ref operator *()
		{
			return _pnode->_data;
		}

		//++it
		Self& operator ++()
		{
			_pnode = _pnode->_next;
			return *this;
		}

		//it++
		Self operator ++(int)
		{
			Self tmp(*this);
			_pnode = _pnode->_next;
			return tmp;
		}

		Self& operator--()
		{
			_pnode = _pnode->_prev;
			return *this;
		}

		Self operator--(int)
		{
			Self tmp(*this);
			_pnode = _pnode->_prev;
			return tmp;
		}

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

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


	template<class T>
	class list
	{
		typedef list_node<T> node;
	public:
		typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

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

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

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

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


		void empty_initialize()
		{
			_head = new node(T());
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;

			_size = 0;

		}

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

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

		/*list(const list<T>& lt)
		{
			empty_initialize();
			for (const auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}*/
		list(const list<T>& lt)
		{
			empty_initialize();
			list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
			swap(tmp);
		}

		/*list<T>& operator=(list<T>& lt)
		{
			if (this != &lt)
			{
				clear();
				for (const auto& e : lt)
				{
					push_back(e);
				}
			}
			return *this;
		}*/
		//现代写法
		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}

		size_t size()const
		{
			return _size;
		}

		bool empty() const
		{
			return _size == 0;
		}

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

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

		list()
		{
			empty_initialize();
		}

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

			newnode->_prev = tail;
			tial->_next = newnode;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;*/
			insert(end(), x);
		}

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

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

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

		iterator insert(iterator pos,const T& x)
		{
			node* newnode = new node(x);
			node* cur = pos._pnode;
			node* prev = cur->_prev;

			newnode->_prev = prev;
			prev->_next = newnode;
			newnode->_next = cur;
			cur->_prev = newnode;

			++_size;
			return iterator(newnode);
		}
		
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos != end());
			node* prev = pos._pnode->_prev;
			node* next = pos._pnode->_next;

			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete pos._pnode;
			--_size;
			return iterator(next);
		}
		private:
			node* _head;
			size_t _size;
	};

	void test_list1()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);
		list<int>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}

	void test_list2()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);
		lt.push_front(5);
		lt.push_front(6);

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		lt.pop_back();
		lt.pop_back();
		lt.pop_front();
		lt.pop_front();

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}

	void test_list3()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);
		lt.push_front(5);
		lt.push_front(6);

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
		cout << lt.size() << endl;

		list<int> lt1(lt);
		for (auto e : lt1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
		list<int> lt2;
		lt2.push_back(10);
		lt2.push_back(20);
		lt2.push_back(30);
		lt2.push_back(40);
		cout << lt2.size() << endl;

		lt = lt2;
		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}

	void print_list(const list<int>& lt)
	{
		list<int>::const_iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			// (*it) += 2; // 不能写
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}

	void test_list4()
	{
		list<int> lt1;
		lt1.push_back(1);
		lt1.push_back(2);
		lt1.push_back(3);
		lt1.push_back(4);

		list<int>::iterator it = lt1.begin();
		while (it != lt1.end())
		{
			(*it) += 2;
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
		print_list(lt1);
	}

	struct Pos
	{
		int _row;
		int _col;

		Pos(int row = 0, int col = 0)
			:_row(row)
			, _col(col)
		{}
	};

	void print_list(const list<Pos>& lt)
	{
		list<Pos>::const_iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			cout << it->_row << ":" << it->_col << endl;
			++it;
		}
		cout << endl;
	}

	void test_list5()
	{
		list<Pos> lt;
		Pos p1(1, 1);
		lt.push_back(p1);
		lt.push_back(p1);
		lt.push_back(p1);
		lt.push_back(Pos(2, 2));
		lt.push_back(Pos(3, 3));
		list<Pos>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			it->_row++;
			cout << it->_row << ":" << it->_col << endl;
			++it;
		}
		cout << endl;
		print_list(lt);
	}
}

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