C++入门之stl六大组件--List源码深度剖析及模拟实现

文章目录

前言

一、List源码阅读

二、List常用接口模拟实现

1.定义一个list节点

2.实现一个迭代器

2.2const迭代器

3.定义一个链表，以及实现链表的常用接口

三、List和Vector

总结

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前言

本文中出现的模拟实现经过本地vs测试无误，文件已上传gitee，地址:list: 模仿实现stl的list - Gitee.com

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一、List源码阅读

首先我们阅读源码，阅读源码我按照如下方式：先找到单个节点的定义，再找到list里面的主要成员函数。

list_node链表节点的定义，如下：有三个成员，prev,next指针，数据域。

实现链表的接口：增删改查，回想我们用C语言实现的顺序表的时候，使用指针去实现。使用C++的时候，模拟实现string，也是使用迭代器。迭代器就是模拟指针的行为，但是链表直接使用指针++，不一定能访问到下一个节点，所以我们要封装一下原生指针--迭代器，去实现对list的访问。

阅读源码，_list_iterator这个迭代器，有三个模板参数，猜测T应该是类型，Ref是引用，Ptr是指针，为什么有三个模板参数？后续再分析。这个迭代器里实现了一个原生迭代器，一个const迭代器，const调用const对象，然后还有一个self，暂时不明白什么意思。继续往下。

 阅读到这里，重定义了一些参数。注意这里：

• typedef _list_node * link_type;  
• link_type node;
• _list_iterator(link type x):node(x){}

和C语言一样，这里定义了一个节点的指针，作为实现迭代器的最小单元

继续往下阅读，这里有一些运算符重载的函数，比较节点是否相等，以及引用，注意这里引用的返回值使用了reference，上面看出来将Ref重定义成了reference，所以这里可以猜测，ref就是返回引用的值

 这里实现了运算符重载函数，使用迭代器，去访问前后的节点。注意这里的返回值是self，前面读到self就是_list_iterator的一个模板参数。对比之前实现日期类的时候，日期类++,返回的就是一个日期类对象。这里使用迭代器进行++,猜测这里返回的就是一个迭代器。

继续查看迭代器的使用：在list的成员函数中，查看到begin：指向头节点的下一个，end指向头节点。rbegin指向头节点，rend指向头节点的下一个。

判断链表是否为空：判断头节点的下一个是否指向头节点

计算链表的size:根据begin,end去计算

 以及链表中最重要的插入insert,通过迭代器找到pos的位置，根据T去构建一个Node，再进行插入。头插尾插都可以复用Insert。头插头删的时候先保留现在的指针指向情况，再进行修改，修改完了之后再删除这个节点

 往下阅读，到了list的主体部分，有两个模板参数。alloc暂时不明白是什么

 这里实现了一种创建节点的成员函数，create_node：通过T类型的参数x创建一个节点.

empty_initialize 空的初始化，只创建一个节点

二、List常用接口模拟实现

通过上面阅读源码，我们来模仿实现list的一些常用接口。

1.定义一个list节点

template
struct list_node
{
    T _data;
    list_node * _next;
    list_node * _prev;
}

2.实现一个迭代器

 迭代器要么就是原生指针，要么就是自定义类型对原生指针的封装，模拟指针的行为。

list用一个节点的指针，去构造一个迭代器

template
struct _list_iterator
{
    typedef list_node node;
    
    typedef _list_iterator self;

    //定义一个指针，指向链表
    node * _node;

    //构造函数 用一个节点指针去构造迭代器
    _list_iterator(node * n)
        :_node(n)
    {
    }

    //实现迭代器的功能
    //指针++向后遍历，就如日期类，返回的还是一个日期类对象;迭代器++,返回一个迭代器对象
     self& operator++()
    {
        _node = _node->_next;
        return *this;
    }
    
    self& operator++(int) //实现前置++
    {
        self tmp(*this);
        _node = _node->_next;
        return tmp;
    }

     self& operator--()
    {
        _node = _node->_prev;
        return *this;
    }
    
    self& operator++(int) //实现前置++
    {
        self tmp(*this);
        _node = _node->_prev;
        return tmp;
    }

    T& operator*()
    {
        return _ndoe->data;
    }

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

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

    

2.2const迭代器

假设我们传了一个const对象，

• void print_list(const list<)。
• 对象的类型是一个const list * ，调用不了普通迭代器,是一个经典的权限放大，所以我们要对this加一个const。此时变成了const* _head,指针本身不能改变，但是指向的内容可以改变。即我们还是可以对对象进行改变。
• 在stl库中，它使用const修饰*this,返回值也是一个const_iterator。但是，对于所有的成员函数都使用const修饰*this和返回值类型很冗余，所以我们这里增加了一个模板参数class Ref。

	template
	struct __list_const_iterator
	{
		typedef list_node node;
		typedef __list_const_iterator self;
		node* _node;

		__list_const_iterator(node* n)
			:_node(n)
		{}

        //保护返回的值不能被修改
		const T& operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

        //... 其他成员函数都相同
	};

template

struct _list_iterator
{
    typedef list_node node;
    typedef _list_iterator self;
    node  * _node;
    
    _list_iterator(node * n)
        :_node(n)
    {}

    Ref operator*()
    {
        return _ndoe->data;
    }
    
    //注意这里 如果我定义了一个AA类型的链表，通过迭代器去访问,指针类型为AA*
    // 现在要访问它的成员 可以这样： *(it)._a1; 
    //也可以it->->a1 一个是运算符重载调用，it是自定义类型，无法直接使用箭头，it-> 就相当于运算符重载operator-> AA*
    //一个是找成员 
    //这里为了增强可读性 省略了一个箭头 it->_a1;
    Ptr operator->()
    {
        return &_node->data;
    }
    
    self& operator--()
    {
    }
    //其余运算符操作类似
}

template
class list
{
    //注意这里模板参数 调用普通迭代器 T&传给ref, 调用const迭代器 const T& 传给ref 
    typedef _list_iterator iterator;
    typedef _list_iterator const_iterator;

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

    const iterator begin()
    {
        return const_iterator(_head->_next);
    }
    //..其余类似
}

3.定义一个链表，以及实现链表的常用接口

template
struct _list
{
    typedef list_node node;
    typedef _list_iterator iterator;

    //list的成员
    node* _head;
    
    //list的构造 初始只有一个头节点
    list()
    {
        _head = new node;
        _head->_next = _head;
        _head->_prev = _head;
    }

    //list的一些成员函数 

    //通过迭代器定位begin和end

      iterator begin()
      {
        return iterator(_head->_next);
      }
        
      iterator end()
      {
            return iterator(_head);
       }
    //通过迭代器对指定pos位置进行增删改查
   void  insert(iterator pos, const T& x)
    {
        node new_node = new node(x);
        //iterator cur = pos;
        //这里是要通过pos的指针，找到这个节点 对pos进行解引用
        node * cur = pos._node;
        node * prev = cur->_prev;
      
        prev->_next = new_node;
        new_node->_prev = prev;
        new_node->_next = cur;
        cur->_prev = new_node;
    }

    void push_back()
    {
        insert(end(),x);
    }
    
    void push_front()
    {
        insert(begin(),x);
    }
   void 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;
    }

    void pop_back()
    {
        erase(end());
    }
    
    void pop_front()
    {
        erase(begin());
    }
    
    //打印
    
    void print_list(const list & lt)
    {
        iterator it = lt.begin();
        while(it != lt.end())
        {
            cout<<*it;
            ++it;
        }

        cout<

三、List和Vector对比

vector与list都是stl中非常重要的序列容器，由于两个容器的底层结构不同，导致特性以及应用场景不同

	vector	list
底层结构	动态顺序表，一段连续的空间	带头节点的双向循环链表
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	在任意位置插入删除元素效率较低，时间复杂度O(N),插入可能需要扩容，开辟新空间，拷贝元素，释放旧空间	任意位置插入和删除效率高，不需要搬移元素。时间复杂度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	原生指针	对原生指针（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导致扩容，导致原来迭代器失效，删除时，也可能失效。需要重新给迭代器赋值	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，因为那个节点已经被删除。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

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总结

本文主要对stl源码中list内容进行阅读，并模拟实现。技术有限，如有错误请指正。