Cpp学习——list的模拟实现

news2024/11/16 12:27:36

 

目录

一，实现list所需要包含的三个类

二，三个类的实现

1.list_node

2.list类

 3.iterator_list类

三，功能实现

1.list类里的push_back()

  2.iterator类里的运算符重载

3，list类里面的功能函数

1.insert（）

2.erase()函数

3.clear()与析构函数

4.拷贝构造函数赋值运算符重载

5.打印函数

一，实现list所需要包含的三个类

     因为list是一个带头双向循环链表。所以list的实现会比较的复杂一些。总得来说，实现一个双向带头循环链表需要构造三个类。1.list类，2.list_node类，3.list_iterator类。前两个类相信大家会比较的熟悉。第三个类大家会比较不熟悉，因为它是一个迭代器的类。也就是说这个类是迭代器的封装。它的实现很有价值，因为它能让我们在使用list时也可以像之前的数据结构一样方便。

二，三个类的实现

1.list_node

 这首先要实现的便是节点类。这个类是最容易实现的。这个类的作用便是给要产生的节点画一个图，定义一下这个节点的结构和类型。代码如下：

template<class T>//模板
  	struct list_node
	{
		list_node(const T& val =T()//匿名对象 )//构造函数起初始化的作用
			:val(val)
			, prev(nullptr)
			, next(nullptr)
		{}

		T val;
		list_node<T>* prev;
		list_node<T>* next;
	};

现在你看到了，这个节点的结构便是这样。其实这与之前实现的那个带头双向循环链表的结构差不多。不过，在cpp中引入了模板的概念，所以这个节点便可以调用模板参数来进行泛化。

2.list类

list类的定义可太简单了。list的成员变量只有一个参数，便是_head。这是哨兵位的头节点。当然还有一个无参的构造函数和一个功能函数。代码如下：

template<class T>
	class list
	{ public:
		typedef list_node<T> Node;
		void empty()//初始化功能函数。
		{
			_head = new Node;
			_head->prev = _head;
			_head->next = _head;
		}
		list()//构造函数
		{
			empty();
		}

	private:
		Node* _head;

	};

当然，这里的list类也是要用模板来进行泛化的。

 3.iterator_list类

这个类就算是比较复杂的一个类了。因为迭代器要实现两种重载版本：1.普通版本。2.const版本。所以迭代器类的模板参数会有三个：

template <class T, class Ref, class ptr>

这三个模板参数会重载两种版本的三个参数：T对象，T&，T指针类型。在这个类里面也只有一个成员：_node。类型与list类里面的成员类型相同。该类代码如下：

template <class T, class Ref, class ptr>
	struct iterator_list
	{
		typedef list_node<T> Node;
		iterator_list(Node* node)
			:_node(node)
		{}

		Node* _node;

	};

三，功能实现

1.list类里的push_back()

首先来实现一个push_back()函数，这个函数的作用便是实现尾插数据。逻辑十分简单，代码如下：

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

			tail->next = newnode;
			newnode->prev = tail;
			newnode->next = _head;
			_head->prev = newnode;
		}

写完这个以后，我便想要通过显示list里的数据来验证答案，但是很显然，我们做不到。因为list是一个自定义的类。但是我们有办法，所以我们便可以通过iterator来达到这个目的。所以我们必须在iterator类里面实现几个运算符重载。

  2.iterator类里的运算符重载

首先先实先这三个运算符重载：1.*，2.++，3.！=

代码如下：

        Ref operator *()//Ref代表T&
		{
			return _node->val;
		}

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

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

然后再在list类里面实现begin()与end()函数之后便可以实现范围for的使用了，end与begin代码如下：

       //实现两个版本的begin与end
        iterator begin()
		{
			return _head->next;
		}

		iterator end()
		{
			return _head;
		}

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

		const_iterator end()const
		{
			return _head;
		}

在实现了上面的代码以后，为了让迭代器的功能更加全面，那我们再实现几个函数重载。再iterator_list里面的全部运算符重载如下：

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

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

		self operator++(int)//后置++
		{
			Node* tmp(*this);
			_node = _node->next;
			return tmp;
		}

		self& operator --()//前置--
		{
			_node = _node->prev;
			return *this;
		}

		self operator--(int)//后置--
		{
			Node* tmp(*this);
			_node = _node->prev;
			return tmp;
		}

		bool operator!=(const self& it)//若用引用便要加上const
		{
			return _node != it._node;
		}

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

		self& operator+(int n)
		{
			while (n)
			{
				_node = _node->next;
				n--;
			}
			return *this;
		}

		ptr operator->()//箭头解引用
		{
			return &_node->val;
		}

在实现了这些运算符重载以后，list类里面的功能函数便好写了许多。

3，list类里面的功能函数

1.insert（）

这个函数实现的功能便是在pos位置之前插入一个新的节点。这个pos的类型是迭代器类型。在list类里边的迭代器重定义为：

typedef iterator_list<T, T& ,T*> iterator;
typedef iterator_list<T, const T&, const T*> const_iterator;

我们只需要关注第一个迭代器即可，因为第二个迭代器修饰的对象是不可以修改的。所以insert的实现代码如下：

	iterator insert(iterator pos, const T& x)//在pos位置之前插入新节点
		{
			Node* newnode = new Node(x);
			Node* prev = pos._node->prev;

			prev->next = newnode;
			newnode->prev = prev;
			newnode->next = pos._node;
			pos._node->prev = newnode;

			return pos._node->prev;//防止迭代器失效，所以返回pos的前一个位置
			
		}

检验一下，检验代码如下：

void test_list2()
	{
		list<int> l1;
		l1.push_back(1);
		l1.push_back(2);
		l1.push_back(3);
		l1.push_back(4);
		l1.push_back(5);

		for (auto e : l1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		l1.insert(l1.begin(), 9);
		l1.insert(l1.end(), 99);

		for (auto e : l1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

	}

结果：正确

 在实现了insert（）函数以后便可以复用实现push_back()与push_front()。代码如下：

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

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

2.erase()函数

erase()函数实现的功能便是传入一个位置，然后将该位置上的节点删除掉。代码实现如下：

       iterator erase(iterator pos)
		{
			Node* prev = pos._node->prev;
			Node* next = pos._node->next;
			Node* cur = pos._node;

			delete cur;

			prev->next = next;
			next->prev = prev;

			return iterator(next);//返回新的迭代器

		}

复用erase实现尾删与头删，代码如下：

​
        void pop_back()
		{
			erase(--end());//尾巴是--end()的位置
		}

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

​

实验代码：

void test_list3()
	{
		list<int> l1;
		l1.push_back(1);
		l1.push_back(2);
		l1.push_back(3);
		l1.push_back(4);
		l1.push_back(5);

		for (auto e : l1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

		l1.insert(l1.begin(), 9);
		l1.insert(l1.end(), 99);

		for (auto e : l1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;


		l1.pop_back();
		l1.pop_front();
	   

		for (auto e : l1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;


	}

结果：正确

3.clear()与析构函数

实现了erase()函数以后再接再厉，接着复用实现clear函数，代码如下：

        void clear()
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);//erase()每次都会返回下一个位置
			
			}
		}

从上面代码的逻辑便可以看出clear()函数是不会删除掉头节点的。但是析构函数需要。于是复用clear()函数后析构函数代码如下：

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

4.拷贝构造函数赋值运算符重载

拷贝构造函数实现过程大概分三步，首先new出来一个空间。然后再复用push_back()函数将要赋值的数据拷贝到新节点内。实现代码如下：

	list(const list<T>& l1)
		{
			empty();

			for (auto e : l1)
			{
				push_back(e);
			}
		}

实现了拷贝构造以后，按照惯例，赋值也要被安排上了。赋值运算符重载实现代码如下：

     list<T>& operator =( list<T>& l1)
		{
			if (this!= &l1)
			{
				clear();
				for (auto e : l1)
				{
					push_back(e);
				}
			}
			return *this;
		}

这是一个传统写法的运算符重载。如果想要更加精简可以写成现代写法，代码如下：

        void swap( list<T>& l1)//别加const
		{
			std::swap(_head, l1._head);//记得这个swap是std里面的swap
		}

		list<T>& operator=(list<T> l1)
		{
			if (this != &l1)
			{
				swap(l1);
			}

			return *this;
		}

5.打印函数

在这里，我们每次打印一个list对象时会很麻烦，每次都要用范围for来实现打印的功能。为了偷懒，我就想实现一个打印函数print来实现打印功能。实现代码如下：

template<class T>
	void print(list<T>& l1)
	{
		typename list<T>::iterator it = l1.begin();//这里要用typename为前缀来告诉编译器等list<T>实例化以后再来执行这条语句
		for (auto e : l1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;

	}

但是上面的代码针对的类型时list类的泛型，如果想要实现能加载更多容器的print()函数那就得改一下类型，改为如下代码：

template <class Contains>
	void print(Contains& l1)
	{
		typename Contains::iterator it = l1.begin();
		for (auto e : l1)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}

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