【C++学习手札】模拟实现list
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目录
一、list实际的底层原理
二、list的模拟实现
写在前面
各层封装的实现
节点类
迭代器类
list类
list类详解
迭代器实现
list的修改操作
Insert
erase
swap
复用操作（push_back/front、pop_back/front、clear）
list的构造
建立头节点
构造函数
拷贝构造和‘=’重载
析构函数
list的空间管理
list的访问相关
三、整体代码
一、list实际的底层原理
C++的STL库中的list是使用带头的双向循环链表实现的。list中存储的每个元素包含了两个指针，一个指向前一个节点，一个指向后一个节点，这样就可以方便地在list中进行插入和删除操作，这些操作的时间复杂度都是O(1)。
大致的结构如下：
如多大家对于这个数据结构不太熟悉的话，不妨看看作者之前写的一篇关于带头双向循环链表的文章：【数据结构】—C语言实现双向链表（超详细!）
二、list的模拟实现
写在前面
list的底层虽然是带头双向循环链表，但是对于它的实际实现不只是简单的链表而已，当然了，我们肯定会有链表的数据结构。但是，这个“结构”，经过了三层的封装才得以实现，分别是： 第一层：list的节点类
第二层：list的迭代器类
第三层：list类
本文目前只实现正向的迭代器，反向迭代器会在后面的文章统一vector、string、list一起实现。
各层封装的实现
节点类
主要是包括：对于两个双向指针的定义以及数据的定义，再是通过初始化列表对于节点的初始化。
// List的节点类
template
struct ListNode
{
ListNode(const T& val = T())//通过初始化列表初始化值
:_val(val)
, _pPre(nullptr)
, _pNext(nullptr)
{}
ListNode* _pPre;
ListNode* _pNext;
T _val;
}; 迭代器类
迭代器实际上是对于指针进行操作，因此我们实例化并且重新命名了节点类的指针PNode,由于迭代器分为是否常量正向迭代器，对此我们额外定义了两个模板参数Ref、Ptr用于控制其中重载运算符 T& operator*() 和 T* operator->()。后面的list类中会有体现。在迭代器中，其中，operator*和operator->返回指向节点的指针，operator++和operator--实现前后缀++/--运算符，operator==和operator!=用来比较两个迭代器是否指向同一个节点。
//List的迭代器类
template
class ListIterator
{
typedef ListNode* PNode;
typedef ListIterator Self;
public:
ListIterator(PNode pNode = nullptr)
:_pNode(pNode)
{}
ListIterator(const Self& l)
:_pNode(l._pNode)
{}
T& operator*()
{
return _pNode->_val;
}
T* operator->()
{
return &*this;
}
Self& operator++()
{
_pNode = _pNode->_pNext;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
Self temp(*this);
_pNode = _pNode->_pNext;
return temp;
}
Self& operator--()
{
_pNode = _pNode->_pPre;
return *this;
}
Self& operator--(int)
{
Self temp(*this);
_pNode = _pNode->_pPre;
return temp;
}
bool operator!=(const Self& l)
{
return _pNode != l._pNode;
}
bool operator==(const Self& l)
{
return !(*this != l);
}
private:
PNode _pNode;
}; list类
这里先给出主要的封装，具体的实现后面详解。可以看到我们又对于节点类进行了实例化并且重新命名，并且定义了一个数据变量。下面是重点了：我们对于迭代器类也进行了实例化并且重新命名，特别是对于上面我们所提到的Ref和Ptr是有做变动的注意看：对于是否常量正向迭代器分别做出了如下定义：T&, T*和const T&, const T*。这里所这的一些变动也是为了后续简化代码，避免我们因为动静态多一份代码。
请结合上面我们迭代器类中我们所提到的operator==和operator!=理解。
class list
{
typedef ListNode Node;
typedef Node* PNode;
public:
typedef ListIterator iterator;//普通迭代器重命名
typedef ListIterator const_iterator;//静态迭代器重命名
public:
//...
private:
PNode _pHead;
}; list类详解
在C++中我们通常会进行各类函数的复用，以减少代码量和增加可读性。对此，我们尽量做到复用。
迭代器实现
返回头以及尾的迭代器，注意区分动静态 。
// List Iterator
iterator begin()
{
return iterator(_pHead->_pNext);
}
iterator end()
{
return iterator(_pHead);
}
const_iterator begin()const
{
return const_iterator(_pHead->_pNext);
}
const_iterator end()const
{
return const_iterator(_pHead);
}list的修改操作
Insert
实现在pos位置前插入值为val的节点，开辟空间->保存原位置节点->新节点的前指针指向原节点的前一个节点->后节点指向原节点->该边原节点的前一个节点的后指针指向，指向新节点->原节点的前指针指向新节点->返回性节点的迭代器。
// 在pos位置前插入值为val的节点
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
PNode pNewNode = new Node(val);
PNode pCur = pos._pNode;
pNewNode->_pPre = pCur->_pPre;
pNewNode->_pNext = pCur;
pNewNode->_pPre->_pNext = pNewNode;
pCur->_pPre = pNewNode;
return iterator(pNewNode);
}erase
删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置，保存删除j节点，保存原节点的下一个节点（用于返回）->一些列删除解链接操作->返回原节点的下一个节点的迭代器
// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos)
{
PNode pDel = pos._pNode;
PNode pRet = pDel->_pNext;
pDel->_pPre->_pNext = pDel->_pNext;
pDel->_pNext->_pPre = pDel->_pPre;
delete pDel;
return iterator(pRet);
}swap
void swap(list& l)
{
pNode tmp = _pHead;
_pHead = l._pHead;
l._pHead = tmp;
} 复用操作（push_back/front、pop_back/front、clear）
void push_back(const T& val)
{
insert(end(), val);
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void push_front(const T& val)
{
insert(begin(), val);
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
void clear()
{
iterator p = begin();
while (p != end())
{
p = erase(p);
}
_pHead->_pPre = _pHead;
_pHead->_pNext = _pHead;
}list的构造
建立头节点
因为我们在构造、 拷贝等很多的场景中都会用到对于头结点的初始化，对此额外写一个函数用于减少代码量。
void CreateHead()
{
_pHead = new Node;
_pHead->_pPre = _pHead;
_pHead->_pNext = _pHead;
}构造函数
实现无参、含参初始化、迭代器构造。
// List的构造
list()
{
CreateHead();
}
list(int n, const T& value = T())
{
CreateHead();
for (int i = 0; i < n; ++i)
{
push_back(value);
}
}
template
list(Iterator first, Iterator last)
{
CreateHead();
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
} 拷贝构造和‘=’重载
list(const list& l)
{
CreateHead();
list temp(l.begin(), l.end());
this->swap(temp);
}
list& operator=(const list l)
{
this->swap(l);
return *this;
} 析构函数
~list()
{
clear();
delete _pHead;
_pHead = nullptr;
}list的空间管理
size_t size()const
{
size_t size = 0;
ListNode* p = _pHead->_pNext;
while (p != _pHead)
{
size++;
p = p->_pNext;
}
return size;
}
bool empty()const
{
return size() == 0;
}
list的访问相关
主要还是要区分是否为动静态相关。
T& front()
{
assert(!empty());
return _pHead->_pNext->_val;
}
const T& front()const
{
assert(!empty());
return _pHead->_pNext->_val;
}
T& back()
{
assert(!empty());
return _pHead->_pPre->_val;
}
const T& back()const
{
assert(!empty());
return _pHead->_pPre->_val;
}三、整体代码
#pragma once
#include
#include
using namespace std;
namespace lt
{
// List的节点类
template
struct ListNode
{
ListNode(const T& val = T())//通过初始化列表初始化值
:_val(val)
, _pPre(nullptr)
, _pNext(nullptr)
{}
ListNode* _pPre;
ListNode* _pNext;
T _val;
};
//List的迭代器类
template
class ListIterator
{
typedef ListNode* PNode;
typedef ListIterator Self;
public:
ListIterator(PNode pNode = nullptr)
:_pNode(pNode)
{}
ListIterator(const Self& l)
:_pNode(l._pNode)
{}
T& operator*()
{
return _pNode->_val;
}
T* operator->()
{
return &*this;
}
Self& operator++()
{
_pNode = _pNode->_pNext;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
Self temp(*this);
_pNode = _pNode->_pNext;
return temp;
}
Self& operator--()
{
_pNode = _pNode->_pPre;
return *this;
}
Self& operator--(int)
{
Self temp(*this);
_pNode = _pNode->_pPre;
return temp;
}
bool operator!=(const Self& l)
{
return _pNode != l._pNode;
}
bool operator==(const Self& l)
{
return !(*this != l);
}
private:
PNode _pNode;
};
//list类
template
class list
{
typedef ListNode Node;
typedef Node* PNode;
public:
typedef ListIterator iterator;//普通迭代器重命名
typedef ListIterator const_iterator;//静态迭代器重命名
public:
///
// List的构造
list()
{
CreateHead();
}
list(int n, const T& value = T())
{
CreateHead();
for (int i = 0; i < n; ++i)
{
push_back(value);
}
}
template
list(Iterator first, Iterator last)
{
CreateHead();
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
list(const list& l)
{
CreateHead();
list temp(l.begin(), l.end());
this->swap(temp);
}
list& operator=(const list l)
{
this->swap(l);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _pHead;
_pHead = nullptr;
}
///
// List Iterator
iterator begin()
{
return iterator(_pHead->_pNext);
}
iterator end()
{
return iterator(_pHead);
}
const_iterator begin()const
{
return const_iterator(_pHead->_pNext);
}
const_iterator end()const
{
return const_iterator(_pHead);
}
///
// List Capacity
size_t size()const
{
size_t size = 0;
ListNode* p = _pHead->_pNext;
while (p != _pHead)
{
size++;
p = p->_pNext;
}
return size;
}
bool empty()const
{
return size() == 0;
}
// List Access
T& front()
{
assert(!empty());
return _pHead->_pNext->_val;
}
const T& front()const
{
assert(!empty());
return _pHead->_pNext->_val;
}
T& back()
{
assert(!empty());
return _pHead->_pPre->_val;
}
const T& back()const
{
assert(!empty());
return _pHead->_pPre->_val;
}
// List Modify
void push_back(const T& val)
{
insert(end(), val);
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void push_front(const T& val)
{
insert(begin(), val);
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
// 在pos位置前插入值为val的节点
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
PNode pNewNode = new Node(val);
PNode pCur = pos._pNode;
pNewNode->_pPre = pCur->_pPre;
pNewNode->_pNext = pCur;
pNewNode->_pPre->_pNext = pNewNode;
pCur->_pPre = pNewNode;
return iterator(pNewNode);
}
// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos)
{
PNode pDel = pos._pNode;
PNode pRet = pDel->_pNext;
pDel->_pPre->_pNext = pDel->_pNext;
pDel->_pNext->_pPre = pDel->_pPre;
delete pDel;
return iterator(pRet);
}
void clear()
{
iterator p = begin();
while (p != end())
{
p = erase(p);
}
_pHead->_pPre = _pHead;
_pHead->_pNext = _pHead;
}
void swap(list& l)
{
pNode tmp = _pHead;
_pHead = l._pHead;
l._pHead = tmp;
}
private:
void CreateHead()
{
_pHead = new Node;
_pHead->_pPre = _pHead;
_pHead->_pNext = _pHead;
}
PNode _pHead;
};
}; 感谢你耐心的看到这里ღ( ´･ᴗ･` )比心，如有哪里有错误请踢一脚作者o(╥﹏╥)o！
给个三连再走嘛~