【STL】模拟实现简易 list
目录
1. 读源码
2. 框架搭建
3. list 的迭代器
4. list 的拷贝构造与赋值重载
拷贝构造
赋值重载
5. list 的常见重要接口实现
operator--()
insert 接口
erase 接口
push_back 接口
push_front 接口
pop_back 接口
pop_front 接口
size 接口
clear 接口
别忘了析构函数
源码分享
写在最后：
1. 读源码
读源码千万不能一行一行读啊，不然你就看晕在那里了，
我们先从核心框架开始抓取，比如说先找到 list 在哪：
然后老规矩，我们先找他的成员变量：
那我们就来找找这个 link_type 是什么：
link_type 是 list_node*，list_node 是一个类类型，那我就知道了，
成员变量 node 就是链表的一个节点指针。
那问题又来了，有单链表，双链表，带头的链表等等，库里实现的是什么链表呢？
我们需要确定他的结构，还是老样子，我们先从构造函数和插入（核心）接口开始看：
我们先看看这个无参的构造是怎么实现的：
他先 get_node() 获取一个节点，然后再两个指针指向自己，
那我们基本就能确定这是一个带头双向循环的链表了。
那我们奖励自己再看一眼他的 get_node() 吧
我们就可以看到他是通过空间配置器的接口开空间了，
再往下看其实就是定位 new 的那一套操作了。
我们继续接着来看 push_back() 接口是怎么样的：
我们可以看到，他这里就是复用的 insert，在 end() 位置插入，
他这里调用的就是这个 insert 的重载，就是普通的插入操作。
最后我们再来瞅一眼 node 这个节点类库里是怎么定义的：
他这里用了 void* 作为他的类型，我比较菜，不太懂这样做有什么妙用，
我就不这么麻烦去用 void* 作为我的指针类型了，不然之后每次用都得强转，我用 T* 就好了。
那么源码看到这里就差不多了，框架看的差不多了，到时候有问题再来看细节。
2. 框架搭建
框架搭建主要就是把 list 的核心框架搭建出来，让代码快速跑起来：
#pragma once
#include
#include
#include
using namespace std;
namespace xl {
template
struct list_node {
list_node* _next;
list_node* _prev;
T _val;
list_node(const T& val = T())
: _next(nullptr)
, _prev(nullptr)
, _val(val)
{}
};
template
class list {
public:
typedef list_node Node;
private:
Node* _head;
public:
list()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
public:
void push_back(const T& x) {
Node* tail = _head->_prev;
Node* newnode = new Node;
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _head;
_head->_prev = newnode;
}
};
}
这里我们实现了 list 的节点，以及 list 的构造函数和尾插接口，
来看看测试：
#include "list.h"
void test1() {
xl::list lt1;
lt1.push_back(1);
lt1.push_back(2);
lt1.push_back(3);
lt1.push_back(4);
}
int main()
{
test1();
return 0;
} 通过调试来看结果：
我们确实是插入了 4 个节点，
你有没有觉得少了点什么，之前我们搭框架的时候都会实现一个基本的迭代器，
但是这次没有，问题来了， list 的迭代器很明显是不能用原生指针实现的，
毕竟你有见过链表能用指针或者说下标直接访问吗，那肯定是没见过，
那 list 的迭代器该怎么实现呢？
3. list 的迭代器
当我们不明白一件事情的时候，就去看源码是怎么做的：
找到了，但是更迷惑了，怎会有三个模板参数啊，
先就此打住，我们一点一点慢慢看，他的类型是一个类模板，那我们先去找到这个类：
我们看到这里，发现他是用一个叫 __list_iterator 的类来封装他的迭代器，
而这个类的成员变量就是链表的节点：
那我们再来看看他的迭代器是怎么跑起来的（也就是++是怎么实现的）
我们发现这不就是让 node = node->next 的操作吗。
再来看看解引用的操作：
不出所料确实就是返回该节点的值，
但是他这个返回值的类型 reference 是啥东东呢？
这个是他的一个模板参数，看来看去，这源码很复杂，又有许多意义不明的操作，
我们还是先根据大思路上手试一下，遇到问题了再来细看源码的实现。
在搭完基本的架子之后，我们遇到了第一个问题，
begin 和 end 该指向什么位置？我们来看看库：
库里的 begin 返回的是第一个节点，end 返回的是哨兵位的头结点，
所以我们就这样实现即可：
iterator begin() {
return _head->_next;
}
iterator end() {
return _head;
}这个时候你可能又有疑问了，迭代器不是自定义类型吗？他怎么能返回节点的指针呢？
这就又用到我们前面学的知识了：单参数的构造函数支持隐式类型转换：
__list_iterator(Node* node)
: _node(node)
{}是的，我们在迭代器的类里实现了这样一个东西。
然后我们再把解引用实现了：
T& operator*() {
return _node->_val;
}最后还剩 ++ 和 != 需要实现：
iterator operator++() {
_node = _node->_next;
return *this;
}
bool operator!=(iterator& it) {
return _node != it._node;
}这样我们的迭代器就跑通了，来看看测试：
void test2() {
xl::list lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
xl::list::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end()) {
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
} 输出：
这样我们的基本框架算是搭建完了：
#pragma once
#include
#include
#include
using namespace std;
namespace xl {
template
struct list_node {
list_node* _next;
list_node* _prev;
T _val;
list_node(const T& val = T())
: _next(nullptr)
, _prev(nullptr)
, _val(val)
{}
};
template
struct __list_iterator {
typedef __list_iterator iterator;
typedef list_node Node;
Node* _node;
__list_iterator(Node* node)
: _node(node)
{}
T& operator*() {
return _node->_val;
}
iterator& operator++() {
_node = _node->_next;
return *this;
}
bool operator!=(const iterator& it) {
return _node != it._node;
}
};
template
class list {
public:
typedef list_node Node;
typedef __list_iterator iterator;
iterator begin() {
return _head->_next;
}
iterator end() {
return _head;
}
private:
Node* _head;
public:
list()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
public:
void push_back(const T& x) {
Node* tail = _head->_prev;
Node* newnode = new Node(x);
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _head;
_head->_prev = newnode;
}
};
}
所以这里我们可以得出一个小结论，
list 的迭代器是什么？他是通过对自定义类型的封装，改变了他的行为。
那我们继续，现在来设计实现一个 const 迭代器，
我们可以通过加 const 来完成这件事情：
如果我们想要重载一整份迭代器，那岂不是得重新写一份自定义的 const 迭代器？
那这样设计也太冗余了，凭空又多出一大坨代码，有没有什么更好的方法实现呢？
还记得我们一开始看库的时候，那两个意义不明的模板参数吗？
他们还是同一个类，但是传了不同的模板参数。
然后就增加了迭代器的模板参数：
然后他这里就把迭代器重命名成了 self，我们就跟着库里的来：
首先是传模板参数这里，因为我们暂时只需要传 T* 给解引用的重载，
所以暂时先设置这两个模板参数：
实际上，这种做法和我们一开始否决的冗余写法没有本质上的区别，
因为模板的实例化就是再生成一段代码，只不过这个工作原本是由我们做，
使用模板之后变成让编译器帮我做了。
这里我把这个阶段的代码也放出来：
#pragma once
#include
#include
#include
using namespace std;
namespace xl {
template
struct list_node {
list_node* _next;
list_node* _prev;
T _val;
list_node(const T& val = T())
: _next(nullptr)
, _prev(nullptr)
, _val(val)
{}
};
template
struct __list_iterator {
typedef __list_iterator self;
typedef list_node Node;
Node* _node;
__list_iterator(Node* node)
: _node(node)
{}
Ref operator*() {
return _node->_val;
}
self& operator++() {
_node = _node->_next;
return *this;
}
self operator++(int) {
self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
bool operator!=(const self& it) {
return _node != it._node;
}
bool operator==(const self& it) {
return _node != it._node;
}
};
template
class list {
public:
typedef list_node Node;
typedef __list_iterator iterator;
typedef __list_iterator const_iterator;
iterator begin() {
return _head->_next;
}
iterator end() {
return _head;
}
private:
Node* _head;
public:
list()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
public:
void push_back(const T& x) {
Node* tail = _head->_prev;
Node* newnode = new Node(x);
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _head;
_head->_prev = newnode;
}
};
}
这里新的问题又来了，为什么库里是有三个模板参数呢？
我们来看看：
我们可以看到，还需要这个模板参数的是 -> 操作符的重载，
那事不宜迟，我们也来实现一下：
T* operator->() {
return &_node->_val;
}现在我们是正常的实现了这个操作符重载，
那这个操作符有什么应用场景吗？我们为什么要重载他？
来看这样一个场景：
struct A {
A(int a1 = 0, int a2 = 0)
: _a1(a1)
, _a2(a2)
{}
int _a1;
int _a2;
};
void test3() {
xl::list lt;
lt.push_back({ 1, 1 });
lt.push_back({ 2, 2 });
lt.push_back({ 3, 3 });
lt.push_back({ 4, 4 });
xl::list::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end()) {
cout << (*it)._a1 << (*it)._a2 << endl;
it++;
}
}如果我们想取结构体内的成员，可以通过 (*it). 来取，
但是我们一般更喜欢使用 -> 直接取结构体成员：
struct A {
A(int a1 = 0, int a2 = 0)
: _a1(a1)
, _a2(a2)
{}
int _a1;
int _a2;
};
void test3() {
xl::list lt;
lt.push_back({ 1, 1 });
lt.push_back({ 2, 2 });
lt.push_back({ 3, 3 });
lt.push_back({ 4, 4 });
xl::list::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end()) {
cout << it->_a1 << it->_a2 << endl;
it++;
}
}这个就是重载 -> 的意义。
但是，你有没有发现有一些不太对劲的地方？
这个函数返回的只是一个指针，而调用这个操作符重载需要一个 -> ，
然后，使用这个指针去调用结构体成员还需要一个 -> ，那为什么这里只有一个 -> 呢？
实际上是为了代码的可读性，编译器特殊处理让我们可以省略一个 -> 。
明白了这个之后，我们就再来添加一个模板参数给他用。
那这样我们的大框架总算是搭好了：
#pragma once
#include
#include
#include
using namespace std;
namespace xl {
template
struct list_node {
list_node* _next;
list_node* _prev;
T _val;
list_node(const T& val = T())
: _next(nullptr)
, _prev(nullptr)
, _val(val)
{}
};
template
struct __list_iterator {
typedef __list_iterator self;
typedef list_node Node;
Node* _node;
__list_iterator(Node* node)
: _node(node)
{}
Ref operator*() {
return _node->_val;
}
Ptr operator->() {
return &_node->_val;
}
self& operator++() {
_node = _node->_next;
return *this;
}
self operator++(int) {
self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
bool operator!=(const self& it) {
return _node != it._node;
}
bool operator==(const self& it) {
return _node != it._node;
}
};
template
class list {
public:
typedef list_node Node;
typedef __list_iterator iterator;
typedef __list_iterator const_iterator;
iterator begin() {
return _head->_next;
}
iterator end() {
return _head;
}
const_iterator begin() const {
return _head->_next;
}
const_iterator end() const {
return _head;
}
private:
Node* _head;
public:
list()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
public:
void push_back(const T& x) {
Node* tail = _head->_prev;
Node* newnode = new Node(x);
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _head;
_head->_prev = newnode;
}
};
}
4. list 的拷贝构造与赋值重载
拷贝构造
直接通过复用 push_back 来完成拷贝构造。
list(const list& lt)
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
for (auto& e : lt) {
push_back(e);
}
}
赋值重载
我们就直接用现代写法实现，还能顺便把 swap 函数提供了：
void swap(list& lt) { ::swap(_head, lt._head); }
list& opeartor = (list lt)
{
swap(lt);
return *this;
} 我们可以来集中测试一下：
void test4() {
xl::list lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
xl::list lt3;
xl::list lt2(lt);
lt3 = lt2;
xl::list::iterator it = lt3.begin();
while (it != lt3.end()) {
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
} 输出：
5. list 的常见重要接口实现
operator--()
self& operator--() {
_node = _node->_prev;
return *this;
}
self operator--(int) {
self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}insert 接口
我们先实现 insert 和 erase 接口，之后直接复用就好了：
// pos 位置之前插入
iterator insert(iterator pos, const T& x) {
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* newnode = new Node(x);
prev->_next = newnode;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
newnode->_prev = cur;
return newnode;
}erase 接口
iterator erase(iterator pos) {
assert(pos != end);
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* next = cur->_next;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete cur;
return next;
}剩下的通通复用~
push_back 接口
void push_back(const T& x) {
insert(end(), x);
}push_front 接口
void push_front(const T& x) {
insert(begin(), x);
}
pop_back 接口
void pop_back() {
erase(--end());
}
pop_front 接口
void pop_front() {
erase(begin());
}不知道你爽了没，反正我爽了，现在就再来一些常见接口：
size 接口
我们直接用迭代器来计数：
size_t size() {
size_t sz = 0;
iterator it = begin();
while (it != end()) {
sz++;
it++;
}
return sz;
}clear 接口
清理所有的数据，直接复用 erase：
void clear() {
iterator it = begin();
while (it != end()) {
it = erase(it);
}
}对了，差点忘了析构函数还没定义：
别忘了析构函数
直接复用 clear：
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}源码分享
Gitee链接：模拟实现简易STL: 模拟实现简易STL (gitee.com)
写在最后：
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