【C++初阶】STL详解（八）List的模拟实现
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STL详解（八）
- list的再认识：
- 初始化与定义节点：
- 迭代器实现：
-
- 构造：
- ++
- 解引用：*
- ！=
- 基本框架搭建：
- --
- 后置++与后置--
- ->
- ==
- const迭代器
-
- 拓展：
- 拓展2：
- 相关函数接口：
-
- Insert：
- erase:
- push_front与pop_fronr
- push_back与pop_back
- size:
- clear与析构：
- 拷贝构造：
- 赋值重载：
-
- 传统写法：
- 现代写法：
- 对比vector与list
list的再认识：
在之前List的介绍与使用中，我们知道list容器是一个带头双向循环链表，那么我们在模拟实现中，能不能先证明一下List是否是一个双向循环链表呢？
我们参考一下stl中list的源码：
我们看到，在源码中，list中有一个__list_node的节点，我们将这个链表的节点定义打开发现定义两个指针next，prev.
再来看一下它的空初始化：
通过观察源码中list的初始化，确实是一个双向循环链表。
接下来。我们就来自己实现一下里面的接口函数。
注意：在模拟实现中，我们采取用与与源码中相同的命名风格。
为防止与库里面的list重复，我们模拟实现将定义在自己的命名空间中。
初始化与定义节点：
首先，我们需要定义三个类，并用摸版进行封装：分别是list，list的节点，以及迭代器：
list节点：
template<class T>
struct list_node
{
T _data;
list_node<T>* _next;
list_node<T>* _prev;
list_node(const T& x=T())
:_data(x)
,_next(nullptr)
,_prev(nullptr)
{}
};
list:
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> Node;
public:
//空初始化：
void empty_init()
{
_head = new Node;
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
//无参构造：
list()
{
empty_init();
}
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;
}
private:
Node* _head;
};
这里我们写的是无参构造，以及实现了一个尾插接口：
尾插双向链表实现已经再简单不过了：
现在我们测试一下：
现在还不能进行遍历，因此我们自己要实现一个迭代器：
迭代器实现：
那么这个迭代器我们要作为怎么实现呢？
我们可以先回顾一下，在vector中，我们实现迭代器就是实现原生指针。
在vector中，给it解引用就可以访问到里面的数据，但是链表不行，因为链表中空间不是连续的。
那么应该怎么实现呢？其实这个就和我们之前的日期类一样，在日期类中我们用运算符重载与封装实现了对日期类的++操作。而我们的迭代器也使这样实现的。
这里我们需要实现迭代器的！=，*与++操作：
我们先看一下库里面的操作：
构造：
看一下库里面的操作：
库里面用了一个节点的指针进行构造，这是因为：单参数的构造函数支持隐式类型转换。
所以我们的构造就可以这样写：
__list_iterator(Node* node)
:_node(node)
{
}
++
实现迭代器++，就是指针往后走的过程，注意返回的是迭代器。我们可以将迭代器重命名一下：
typedef __list_iterator<T> self;
实现代码：
self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
解引用：*
返回节点里面的数据即可：
T& operator*()
{
return _node->_data;
}
！=
两个迭代器进行比较，实质两个指针比较。
//两个迭代器进行比较，两个指针比较
bool operator!=(const self& s)
{
return _node != s._node;
}
基本框架搭建：
这样基本上迭代器的基本架子就完成了：
typedef __list_iterator<T> iterator;
iterator begin()
{
return _head->_next;
}
iterator end()
{
return _head;
}
在list中定义一下迭代器。迭代器开始位置就是返回哨兵位头节点的下一个位置，结束位置就是返回哨兵位的地址。
测试一下：
void test_list1()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
lt.push_back(5);
list<int>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
//*it += 20;
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
测试结果：
有了迭代器就有范围for：
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
总结：其实会发现就是在模拟指针，但他的底层细节很大。所以迭代器体现了封装的强势之处。封装屏蔽底层差异和实现细节，提供统一的访问修改遍历方式。这样我们就不用关注他的底层是什么.
举个例子：
set<int> s;
s.insert(1);
s.insert(3);
s.insert(2);
s.insert(4);
set<int>::iterator sit = s.begin();
while (sit != s.end())
{
cout << *sit << " ";
++sit;
}
cout << endl;
}
这里的set就是树，我们也可以依然用这个迭代器进行遍历。
–
实现迭代器++，就是指针往前走的过程，注意返回的是迭代器。
self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
后置++与后置–
//后置
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
//后置
self operator--(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
->
在讲->重载之前，先看一下这个示例：
struct AA
{
AA(int a1 = 0, int a2 = 0)
:_a1(a1)
, _a2(a2)
{}
int _a1;
int _a2;
};
list<AA> lt;
lt.push_back(AA(1, 1));
lt.push_back(AA(2, 2));
lt.push_back(AA(3, 3));
list<AA>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
cout << *it << endl;
++it;
}
cout << endl;
在这里就访问不了，因为自定义类型不支持类型。
这里我们回顾一下之前的知识，对与内置类型的指针，我们可以采用*来进行解引用。对于自定义类型的指针，我们要用->来进行解引用。
int* p = new int;
*p = 1;
AA* ptr = new AA;
ptr->_a1 = 1;
实现->
T* operator->()
{
return &_node->_data;
}
==
两个迭代器进行比较，就是两个指针比较
bool operator==(const self& s)
{
return _node == s._node;
}
const迭代器
在实现const迭代器之前，首先要知道一点，const迭代器是一个完全不一样的类，所以不能将非const迭代器前加const就变成const迭代器。
因此我们可以list类中在定义一个const迭代器：
typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;
const_iterator begin() const
{
return _head->_next;
}
const_iterator end() const
{
return _head;
}
在单独实现一个const迭代器的类：
template<class T>
struct __list_const_iterator
{
....
}
const迭代器基本的功能与非const迭代器相似，只有在解引用时不同：
// *it = 10
const T& operator*()
{
return _node->_data;
}
// it->a1 = 10
const T* operator->()
{
return &_node->_data;
}
测试一下：
void print_list(const list<int>& lt)
{
list<int>::const_iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
//*it = 10;
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
void test_list4()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
lt.push_back(5);
print_list(lt);
}
但是这样实现，还是太冗余了，因为非const和const只有返回值不同，那么还有优化的空间吗？
我们看一下库里面的实现:
库里面定义只定义了同一个类模版的迭代器，只是这两个迭代器之间的摸版参数不同，实例化的参数不同，就是完全不一样的类型。也就是说把能靠模版实现的就写一份，让编译器搞。
所以我们可以将我们的迭代器进行进一步优化：
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;
....
}
// T T& T*
// T cosnt T& const T*
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T> Node;
/*typedef __list_iterator self;*/
typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
Node* _node;
...
}
到这里，我们的迭代器就全部实现完了。
拓展：
在刚才的测试函数中，有一个print_list函数，但是这个测试函数里面的数据我们给定的是int,那我要是其他类型的呢，这个函数又该如何修改呢？
其实很简单：我们加一个摸版参数即可：
template<typename T>
void print_list(const list<T>& lt)
{
typename list<T>::const_iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
//*it = 10;
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
测试一下：
注意：这里我们没有用class这个摸版参数，这是因为：
list是一个未实例化的类模板，编译器不能去他里面去找
编译器就无法确定：list::const_iterator是内嵌类型，还是静态成员变量
前面加一个typename就是告诉编译器，这里是一个类型，等list实例化后再去类里面去取
拓展2：
如果要是将刚才的类在改造一下呢？
比如：
我要打印以下内容：
vector<string> v;
v.push_back("222222222222222222222");
v.push_back("222222222222222222222");
v.push_back("222222222222222222222");
v.push_back("222222222222222222222");
这个函数对于我们的printf_list就不适用了，因为我们的print_list就只适用于链表。
这里我们就可以写一个容器（container）的打印函数：
template<typename Container>
void print_Container(const Container& con)
{
typename Container::const_iterator it = con.begin();
while (it != con.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
测试结果：
总结一下：
摸版实现了泛型编程，而泛型编程的本质，就是本来我们干的活，交给了编译器。
相关函数接口：
有了迭代器的实现，我们就可以实现一下链表的相关接口：
Insert：
Insert:在pos位置之前插入：
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
Node* cur = pos._node;
Node* newnode = new Node(x);
Node* prev = cur->_prev;
// prev newnode cur
prev->_next = newnode;
newnode->_prev = prev;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
++_size;
return iterator(newnode);
}
Insert迭代器不会产生失效的问题，因为没有扩容。
erase:
在指定位置删除：
iterator erase(iterator pos)
{
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* next = cur->_next;
delete cur;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
--_size;
return iterator(next);
}
注意：erase的迭代器会失效，所以我们加个返回值。
实现了insert和erase后，我们就可以服用来实现头插，头删，尾插，尾删。
push_front与pop_fronr
具体实现：
头插：
//头插
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}
头删：
//头删
void pop_front()
{
erase(begin());
}
push_back与pop_back
具体实现：
尾插：
void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x);
}
尾删：
//尾删
void pop_back()
{
erase(--end());
}
size:
为了方便计算大小，我们还可以再实现一个函数：
size_t size()
{
return _size;
}
clear与析构：
clear：清理空间，我们可以采取迭代器访问的方式，逐个将节点释放。
//清理空间：
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
析构：我们可以先清理空间，在将头节点释放即可。
//析构
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
拷贝构造：
我们可以采用范围for来进行拷贝构造：
//拷贝构造：
// lt2(lt1)
//list(const list& lt)
list(list<T>& lt)
{
empty_init();
for (auto e : lt)
{
push_back(e);
}
}
赋值重载：
传统写法：
list<int>& operator=(const list<int>& lt)
{
if (this != <)
{
clear();
for (auto e : lt)
{
push_back(e);
}
}
return *this;
}
现代写法：
void swap(list<T>& lt)
{
std::swap(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
// lt3 = lt1
list<int>& operator=(list<int> lt)
{
swap(lt);
return *this;
}
对比vector与list
