C++_STL——list模拟实现
文章目录
- 前言
- list使用文档
- 模拟实现
-
- 节点struct
- 类成员
- 默认构造函数
- list的迭代器实现
- begin(),end()
- list的增删查改等操作
-
- insert，erase
- 头尾删插
- 取头尾元素和元素个数
- clear()清空数据以及析构函数
- 完整模拟实现代码
- 总结
前言
- list作为一个容器组件，有着其重要的价值，其实在底层这是一个带头双向循环的链表数据结构，可以在任意位置进行插入和删除的序列式容器，并且该容器可以前后进行遍历。
- 那么同样作为序列式容器，list和vector相比又有哪些优缺点呢？
- 优点:对于在任意位置进行插入、删除操作，list的效率相对于vector是高很多的(这是由于vector在进行这些操作时需要移动数据进行覆盖)
- 缺点:list不支持任意位置的随机访问,这是由于list内部数据的存储方式并不是连续的，随机访问所需的代价较高，并且对缓存的利用率较低
因此，同样作为序列式容器，vector和list是优势互补，不可替代的，并且list在实际中的使用频率也很高，所以，为了更好的使用list，我们需要进行模拟实现。
list使用文档
在进行模拟实现之前，我们首先需要直到STL的list的各种使用接口以及其功能，然后才能高效的使用和模拟，下面是stl_list的使用文档及其说明：
list使用文档
模拟实现
节点struct
首先，我们直到对于带头双向循环链表来说，每个数据是存在一个节点中的，这个节点还要包括指向前一个节点和后一个节点的指针，所以我们需要用一个结构体来封装这些信息。
template<typename T>
struct list_node
{
list_node* next;
list_node* prev;
T val;
};
类成员
在将要模拟实现的类中，我们想要找到所有的数据，只需要保存头节点即可，并且为了更简单的获得类的成员数量，可以在加一个size_t的_size成员标式数量。
template<typename T>
class list
{
private:
//这里为了方便，仿照源代码使用了typedef
//并且使用了c++11的缺省参数语法
typedef list_node<T> link_node;
link_node* _head = nullptr;
size_t _size = 0;
}
默认构造函数
带头双向循环链表的构造函数要求创建一个头节点，并且让其头节点的next和prev都指向自身。
list()
:_head(new link_node)
{
_head->next = _head;
_head->prev = _head;
_head->val = T();
}
list的迭代器实现
我们知道，迭代器实现了stl容器和算法的分离，对于vector来说，迭代器使用原生的指针进行typedef来即可，但这是由于vector内部数据在物理空间上是连续的，但是对于list来说其数据在物理空间上并不是连续的，所以对于list来说，他的迭代器就不能是指针，而是一个类，通过重载运算符的方式，做到其使用方法能够和指针相同（对迭代器++使得指针指向next，–使得指针指向prev）下面是实现：
template<class T>
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T> Node;
Node* _node;
__list_iterator(Node* node)
:_node(node)
{}
T& operator*()
{
return _node->_val;
}
T* operator->()
{
return &_node->_val;
}
__list_iterator<T>& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
__list_iterator<T> operator++(int)
{
__list_iterator<T> tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
bool operator!=(const __list_iterator<T>& it)
{
return _node != it._node;
}
bool operator==(const __list_iterator<T>& it)
{
return _node == it._node;
}
};
这里，有人可能会不知道operator->()函数有什么用，那么可以看下面的代码：
lzz::list<pair<int, int>> lt;
lt.push_back({ 1,1 });
lt.push_back({ 2,2 });
lt.push_back({ 3,3 });
lt.push_back({ 4,4 });
lt.push_back({ 5,5 });
auto it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
//这里其实应该是it->->first(it.operator->()->first)
//c++为了代码观赏性，对其进行了优化
cout << it->first << " " << it->second << endl;
it++;
}
对于结构体，为了使得使用方式和指针一样，所以重载了该运算符。并且由于list的数据结构进行随机访问是极为低效的**o(n)**的复杂度，所以list的迭代器并没有支持+功能。
那么又该如何设计const_iterator呢？通过分析我们会发现，对于const_iterator类，只有operator*()和operator->()函数需要修改返回值，其他则不需要变，如果重新写一个类命名为const_iterator，就过于冗余了，那么有什么更好的解决方法呢？
这里参考了库里的巧妙的实现方式，通过巧用模板完美的解决了这个问题，看下面代码：
//这里传输三个引用是为了让const引用和const指针能够不用重复设计
template<typename T, typename Ref, typename Ptr>
//为了便于在list里面使用迭代器，用struct而不是类
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
/*迭代器成员*/
Node* _node;
//构造函数
__list_iterator(Node* x = nullptr)
:_node(x)
{}
//析构函数
//不需要析构函数，根据需求，iterator消失并不代表数据消失
Ref operator*() { return _node->val; }
self& operator++()
{
_node = _node->next;
//返回的都是iterator
return *this;
}
//这里比较直接用const防止权限放大问题
bool operator!=(const __list_iterator& it) { return _node != it._node; }
Ptr operator->() { return &(_node->val); }
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->next;
return tmp;
}
bool operator==(const self& it) { return _node == it._node; }
self& operator--()
{
_node = _node->prev;
return *this;
}
self operator--(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->prev;
return tmp;
}
};
上面代码多传入了两个模板参数，分别是Ref和Ptr,并且分别用其替代了operator*()和operator->()的返回值，然后通过控制模板参数就可以控制返回值的类型了！
在类中可以使用typedef来进行使用，如下：
class list
{
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
//错误的设计，类比vector const_iterator;
//如果使用const T类型，就表示了内部指针不能够进行改变，那如何修改他指向下一个或上一个指针？
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
}
需要啥传啥，就能够进行更好的控制了！
begin(),end()
**begin()*直接返回头节点的下一个指针(第一个位置指向的指针)，利用隐式类型转换自动构造迭代器
**end()*直接返回头节点，利用隐式类型转换构造迭代器
iterator begin() { return _head->next; }
iterator end() { return _head; }
const_iterator begin() const { return const_iterator(_head->next); }
const_iterator end() const { return const_iterator(_head); }
list的增删查改等操作
insert，erase
对于链表来说，insert和erase操作都是在修改数据之间的链接关系罢了，大家可以画图理解，但是要注意链接前后关系
iterator insert(const iterator& pos, const T& val)
{
link_node* tmp = new link_node;
tmp->val = val;
tmp->next = pos._node;
tmp->prev = pos._node->prev;
pos._node->prev->next = tmp;
pos._node->prev = tmp;
//记得维护_size
++_size;
return tmp;
}
iterator erase(iterator pos)
{
//不能删去头节点
assert(pos != end());
link_node* tmp = pos._node;
tmp->prev->next = tmp->next;
tmp->next->prev = tmp->prev;
//别忘了释放空间
++pos;
delete tmp;
--_size;
return pos;
}
头尾删插
对于这部分，可以直接复用insert和erase即可,这也是先实现insert和erase的原因
void push_back(const T& val) { insert(end(), val); }
void pop_back()
{
assert(!empty());
erase(--end());
}
void push_front(const T& val) { insert(begin(), val); }
void pop_front()
{
assert(!empty());
erase(begin());
}
同样由于list随机访问极为低效，所以该容器并不支持
operator[]()函数功能
取头尾元素和元素个数
T& front() { return _head->next->val; }
const T& front() const { return _head->next->val; }
T& back() { return _head->prev->val; }
const T& back() const { return _head->prev->val; }
size_t size() { return _size; }
clear()清空数据以及析构函数
在通过遍历一个个delete节点时，要记得先保存下一个节点，否则析构之后再使用当前节点就出现了野指针问题。
void clear()
{
//不删除头节点
link_node* del = _head->next;
while (del != _head)
{
link_node* ne = del->next;
delete del;
del = ne;
}
_size = 0;
}
析构与clear()的主要区别就是析构需要释放头节点，而clear()函数不需要清空，所以析构可以先调用clear()函数，然后再释放头节点即可。
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
完整模拟实现代码
#pragma once
#include const_iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
typedef Reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
typedef Reverse_iterator <const_iterator, const T&, const T*> constReverseIterator;
private:
typedef list_node<T> link_node;
link_node* _head = nullptr;
size_t _size = 0;
public:
//void empty_init()
//带头双向循环链表初始化
list()
:_head(new link_node)
{
_head->next = _head;
_head->prev = _head;
_head->val = T();
}
//这里用int是为了防止和之后的迭代器区间初始化产生冲突
list(int n, const T& val = T())
:list()
{
for (; _size < n;)
push_back(val);
}
//深拷贝
list(const list<T>& lt)
:list()
{
for (auto& e : lt)
push_back(e);
}
template<typename InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
:list()
{
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
void swap(list<T>& lt)
{
std::swap(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
swap(lt);
return *this;
}
//经典写法
/*void push_back(const T& val)
{
link_node* tmp = new link_node;
tmp->val = val;
tmp->next = _head;
_head->prev->next = tmp;
tmp->prev = _head->prev;
_head->prev = tmp;
}*/
bool empty() { return !_size; }
//复用写法
void push_back(const T& val) { insert(end(), val); }
void pop_back()
{
assert(!empty());
erase(--end());
}
void push_front(const T& val) { insert(begin(), val); }
void pop_front()
{
assert(!empty());
erase(begin());
}
iterator begin() { return _head->next; }
iterator end() { return _head; }
const_iterator begin() const { return const_iterator(_head->next); }
const_iterator end() const { return const_iterator(_head); }
iterator insert(const iterator& pos, const T& val)
{
link_node* tmp = new link_node;
tmp->val = val;
tmp->next = pos._node;
tmp->prev = pos._node->prev;
pos._node->prev->next = tmp;
pos._node->prev = tmp;
++_size;
return tmp;
}
iterator erase(iterator pos)
{
//不能删去头节点
assert(pos != end());
link_node* tmp = pos._node;
tmp->prev->next = tmp->next;
tmp->next->prev = tmp->prev;
//别忘了释放空间
++pos;
delete tmp;
--_size;
return pos;
}
size_t size() { return _size; }
void clear()
{
//不删除头节点
link_node* del = _head->next;
while (del != _head)
{
link_node* ne = del->next;
delete del;
del = ne;
}
_size = 0;
}
T& front() { return _head->next->val; }
const T& front() const { return _head->next->val; }
T& back() { return _head->prev->val; }
const T& back() const { return _head->prev->val; }
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
};
}
总结
对于list底层和vector，string的底层模拟来说，最大的难点就时list的迭代器需要自己写一个类封装起来，而另两个由于数据存储空间连续直接使用原生指针即可，但是能使用指针的情况也就只有这两种，stl的其他容器的迭代器基本都是用类封装的，但这种设计思路大体时相同的，这也是stl设计的强大之处了！大家在以后学习其他stl容器时，会越来越体会到这种容器的巧妙的！
以上就是本篇博客模拟实现list的全部内容，如果还有不懂的或者作者写的有问题的地方，欢迎在评论区提出！