【C++】STL---list的模拟实现
目录
- 前言
- 一、list和vector的区别
- 二、节点的定义
- 三、list类定义
- 四、push_back函数
- 五、push_front函数
- 六、迭代器
- 七、begin和end函数
- 八、迭代器区间初始化
- 九、迭代器的操作符重载
-
- 操作符++重载
- 操作符- -重载
- 操作符！=重载
- 操作符==重载
- 操作符*重载
- 十、insert函数
- 十一、erase函数
- 十二、pop_back函数
- 十三、pop_front
- 十四、析构函数
- 十五、拷贝构造函数
- 十六、赋值操作符重载
- 十七、迭代器优化
- 十七、反向迭代器
- 总结:
前言
上次模拟实现了一个vector容器，那么我们这次来实现一个list(链表)容器，链表在实际的开发中并不常见。但是也是一种很重要的数据结构，下面给大家介绍一下链表(list) 和 vector(顺序表)的区别。
一、list和vector的区别
list 和 vector 一样，是一个存储容器。不同的是vector在内存中是连续存储的，而list每个节点所在的内存区域是不连续的。那我们用vector还是用list呢？vector和list的优劣势有以下几点。
vector优点:
1.支持下标随机访问。
2.cpu命中缓存率高
vector缺点:
1.存在一定的程度的空间浪费。
2.扩容代价大。
3.中间和前面元素的删除与插入，代价大。
list优点:
1.按需申请空间，不存在空间浪费。
2.任意位置的插入与删除，时间复杂度都是O(1)。
list缺点:
1.不支持随机访问，以至于查找，排序等操作代价太大。
2.cpu命中缓存率低。
综上所述，我们可以看到list和vector是完全互补的两个容器。vector的优点就是list的缺点，vector的缺点就是list的优点。所以，如果查找多，用vector，如果增删操作多，用list，了解了list之后，接下来我们就可以模拟实现一下它。
二、节点的定义
我们要实现的是一个带头双向循环的链表。
所以节点有三个参数，一个的prve指向前一个节点，一个是date存储数据，还有一个是next指向下一个节点。当然，我们还需要有个构造函数，来给date赋值。
代码:
//节点结构体
template<class T>
struct ListNode
{
typedef ListNode<T> Node;
Node* _prve;
Node* _next;
T _data;
//构造函数
ListNode():_prve(nullptr),_next(nullptr),_data(0){}
ListNode(const T& val)
:_prve(nullptr)
,_next(nullptr)
{
_data = val;
}
};
三、list类定义
list定义很简单，因为要存任意类型的参数，我们用模板即可。
而私有成员只有一个，那就是头节点。
代码:
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
//构造函数
list()
{
//开辟空间
_head = new Node;
//自己指向自己
_head->_prve = _head;
_head->_next = _head;
}
private:
Node* _head;
};
四、push_back函数
push_back函数也就是尾部插入，我们可以通过头节点的prev找到最后一个节点，随后链接即可。
代码:
void push_back(const T& val)
{
//创建一个新节点
Node* newNode = new Node(val);
//找到尾节点
Node* tail = _head->_prve;
//尾节点和创建的节点链接
tail->_next = newNode;
newNode->_prve = tail;
_head->_prve = newNode;
newNode->_next = _head;
}
五、push_front函数
就是头插，很简单，直接保存节点的下一个节点，然后创建一个新节点。把这俩节点链接起来。
代码:
void push_front(const T& val)
{
//创建一个新节点
Node* newNode = new Node(val);
//保存头节点的下一个节点
Node* next = _head->_next;
//链接
_head->_next = newNode;
newNode->_prve = _head;
next->_prve = newNode;
newNode->_next = next;
}
六、迭代器
因为是链表容器，链表在内存中的存储不是连续的，所以迭代器+1是无法找到下一个节点的。所以我们要单独弄一个结构体来封装list的迭代器。
代码:
template<class T>
struct_list_iterator
{
Node* _it;
typedef ListNode<T> Node;
// 构造函数
_list_iterator(Node* node)
:_it(node)
{
}
};
七、begin和end函数
我们的链表是带头的，也就是头节点是不存放有效值的，所以头节点的_next指向的节点就是链表的第一个节点。而最后一个节点的下一个节点又恰好是头节点。所以迭代器开始位置是在头节点的下一个位置，结束位置是头节点。不过再此之前，我们需要把迭代器typedef一下。
代码:
//迭代器
typedef _list_iterator<T> iterator;
typedef _list_iterator<const T> const_iterator;
//迭代器获取
iterator begin()
{
return iterator(_head->_next);
}
const_iterator begin()const
{
return const_iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_head);
}
const_iterator end()const
{
return const_iterator(_head);
}
八、迭代器区间初始化
有了迭代器之后，我们可以用迭代器区间来进行初始化。
代码:
template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
//创建头节点
_head = new Node();
_head->_prve = _head;
_head->_next = _head;
while (first != last)
{
pusb_back(*first);
++first;
}
}
九、迭代器的操作符重载
接下来我们来完善迭代器的一些操作。
操作符++重载
迭代器++，就是指向下一个元素。
typedef _list_iterator<T> self;
//前置++重载
self& operator++()
{
_it = _it->_next;
return *this;
}
//后置++重载
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
_it = _it->_next;
return tmp;
}
操作符- -重载
和++类似，不过- -是到前一个节点。
//前置--重载
self& operator--()
{
_it = _it->_prve;
return *this;
}
//后置--重载
self operator--(int)
{
self tmp(*this);
_it = _it->_prve;
return tmp;
}
操作符！=重载
直接比较地址即可。
// !=重载
bool operator!=(const self& it)const
{
return _it != it._it;
}
操作符==重载
直接比较地址即可。
// ==重载
bool operator==(const self& it)const
{
return _it == it._it;
}
操作符*重载
*就是解引用，所以我们返回节点的值即可。
T& operator*()
{
return _it->_data;
}
但是这个代码有个缺陷，那就是当容器是const的时候，依旧可以解引用修改它的值，这也就意味着const迭代器根本就不具有常属性，要想const迭代具备常属性，我们必须增加模板参数。
当容器是const的时候，返回的const迭代器必须具有常属性。所以我们要加一个模板参数作为返回值。
然后list里面typedef的类型也修改一下。
然后我们解引用时，返回Ref这个模板参数
这样，我们就让const的迭代器具备了常属性
迭代器结构体的所有代码:
//迭代器
template<class T,class Ref>
struct _list_iterator
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef _list_iterator<T,Ref> self;
Node* _it;
// 构造函数
_list_iterator(Node* node)
:_it(node){}
//前置++重载
self& operator++()
{
_it = _it->_next;
return *this;
}
//后置++重载
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
_it = _it->_next;
return tmp;
}
//前置--重载
self& operator--()
{
_it = _it->_prve;
return *this;
}
//后置--重载
self operator--(int)
{
self tmp(*this);
_it = _it->_prve;
return tmp;
}
// *重载
Ref operator*()
{
return _it->_data;
}
// !=重载
bool operator!=(const self& it)const
{
return _it != it._it;
}
// ==重载
bool operator==(const self& it)const
{
return _it == it._it;
}
};
十、insert函数
insert函数是在指定位置插入一个节点，那么我们可以用迭代器来接收这个要插入的位置。
//插入节点
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
assert(pos._it);
//保存pos的前一个位置
Node* cru = pos._it;
Node* prve = cru->_prve;
//创建节点
Node* newNode = new Node(val);
//链接
prve->_next = newNode;
newNode->_prve = prve;
newNode->_next = cru;
cru->_prve = newNode;
return pos;
}
十一、erase函数
指定位置删除节点，删除节点会影响迭代器失效，所以要返回一个有效的迭代器。删除操作也十分简单，保存前一个节点的地址和后一个地址的节点，然后链接这2个节点，之后释放pos节点。
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos._it);
Node* cru = pos._it;
Node* prve = cru->_prve;
Node* next = cru->_next;
//链接
prve->_next = next;
next->_prve = prve;
//释放cru
delete cru;
return next;
}
十二、pop_back函数
就是尾删，我们可以直接复用erase
void pop_back()
{
erase(end());
}
当然，push_back也可以复用inset
十三、pop_front
就是头删，还是复用erase。头插也可以复用insert
void pop_front()
{
erase(begin());
}
十四、析构函数
链表的基本功能已经实现完了，但是当我们链表不用的时候，申请的空间必须销毁。而自带的析构函数不会销毁动态申请的空间，需要我们自己写析构函数销毁。
代码:
//析构函数
~list()
{
//清空链表
clear();
//释放头节点
delete _head;
_head = nullptr;
}
void clear()
{
//除了头节点外，其他都释放。
iterator it = begin();
while (it != end())
{
//保存下一个位置的地址
iterator next = it++;
delete next._it;
}
//释放完之后，头节点指向的是个野指针，所以我们让它指向自己
_head->_next = _head;
_head->_prve = _head;
}
十五、拷贝构造函数
那么我们想拷贝链表呢？我们可以直接用迭代器区间去创建一个新的对象，然后把新对象的头节点成员和旧对象进行交换。出了函数创建的对象会自动调用析构函数释放空间。
//拷贝构造
list(const list<T>& l1)
{
//创建头节点
_head = new Node();
_head->_prve = _head;
_head->_next = _head;
//创建新对象，利用迭代器区间
list<T> tmp(l1.begin(), l1.end());
//随后交换新对象和旧对象的成员
swap(_head, tmp._head);
}
十六、赋值操作符重载
我们可以利用拷贝构造创建一个新对象，然后交换头节点。函数结束，创建的对象自动析构。
代码:
list<T>& operator=(const list<T>& l1)
{
list<T> tmp(l1);
swap(_head, tmp._head);
return *this;
}
十七、迭代器优化
我们的迭代器还不够完美，因为如果list装的是自定义类型的话，我们还需要让迭代器支持 ->访问。期望它返回一个对象的指针回来，然后该对象的指针可以->直接访问成员。所以我们还需要增加模板参数。
增加一个指针参数
链表里的迭代器调整。
然后重载 迭代器的->操作符
Ptr operator->()
{
//返回对象的指针
return &(_it->_data);
}
可以直接支持->访问
十七、反向迭代器
之前在vector实现的时候，我们实现过反向迭代器。vector实现链接。所以我们可以复用这个反向迭代器。
首先，包上反向迭代器的头文件名。
其次，我们typedef 2个反向迭代器
随后用rbegin函数和rend函数获取迭代器的开始和结束位置。
begin返回的是从头节点的下一个节点，所以rend就是返回头节点的下一个位置。
end返回的是头节点，所以rbegin返回头节点。
代码:
//反向迭代器获取
reverse_iterator rbegin()
{
return reverse_iterator(end());
}
reverse_iterator rend()
{
return reverse_iterator(begin());
}
const_reverse_iterator rbegin()const
{
return reverse_const_iterator(end());
}
const_reverse_iterator rend()const
{
return reverse_const_iterator(begin());
}
全部代码:
list.h代码
#pragma once
#include "reverse_iterator.h"
namespace wyl
{
//节点结构体
template<class T>
struct ListNode
{
typedef ListNode<T> Node;
Node* _prve;
Node* _next;
T _data;
//构造函数
ListNode():_prve(nullptr),_next(nullptr),_data(0){}
ListNode(const T& val)
:_prve(nullptr)
,_next(nullptr)
{
_data = val;
}
};
//迭代器
template<class T,class Ref,class Ptr>
struct _list_iterator
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef _list_iterator<T,Ref,Ptr> self;
Node* _it;
// 构造函数
_list_iterator(Node* node)
:_it(node){}
//前置++重载
self& operator++()
{
_it = _it->_next;
return *this;
}
//后置++重载
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
_it = _it->_next;
return tmp;
}
//前置--重载
self& operator--()
{
_it = _it->_prve;
return *this;
}
//后置--重载
self operator--(int)
{
self tmp(*this);
_it = _it->_prve;
return tmp;
}
// *重载
Ref operator*()
{
return _it->_data;
}
// !=重载
bool operator!=(const self& it)const
{
return _it != it._it;
}
// ==重载
bool operator==(const self& it)const
{
return _it == it._it;
}
Ptr operator->()
{
//返回对象的指针
return &(_it->_data);
}
};
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
//迭代器
typedef _list_iterator<T,T&,T*> iterator;
typedef _list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;
//反向迭代器
typedef _reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
typedef _reverse_iterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;
//构造函数
list()
{
//开辟空间
_head = new Node();
//自己指向自己
_head->_prve = _head;
_head->_next = _head;
}
//迭代器区间初始化
template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
//创建头节点
_head = new Node();
_head->_prve = _head;
_head->_next = _head;
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
//拷贝构造
list(const list<T>& l1)
{
//创建头节点
_head = new Node();
_head->_prve = _head;
_head->_next = _head;
//创建新对象，利用迭代器区间
list<T> tmp(l1.begin(), l1.end());
//随后交换新对象和旧对象的成员
swap(_head, tmp._head);
}
list<T>& operator=(const list<T>& l1)
{
list<T> tmp(l1);
swap(_head, tmp._head);
return *this;
}
//析构函数
~list()
{
//清空链表
clear();
//释放头节点
delete _head;
_head = nullptr;
}
void clear()
{
//除了头节点外，其他都释放。
iterator it = begin();
while (it != end())
{
//保存下一个位置的地址
iterator next = it++;
delete next._it;
}
//释放完之后，头节点指向的是个野指针，所以我们让它指向自己
_head->_next = _head;
_head->_prve = _head;
}
void push_back(const T& val)
{
//创建一个新节点
Node* newNode = new Node(val);
//找到尾节点
Node* tail = _head->_prve;
//尾节点和创建的节点链接
tail->_next = newNode;
newNode->_prve = tail;
_head->_prve = newNode;
newNode->_next = _head;
}
void push_front(const T& val)
{
//创建一个新节点
Node* newNode = new Node(val);
//保存头节点的下一个节点
Node* next = _head->_next;
//链接
_head->_next = newNode;
newNode->_prve = _head;
next->_prve = newNode;
newNode->_next = next;
}
//迭代器获取
iterator begin()
{
return iterator(_head->_next);
}
const_iterator begin()const
{
return const_iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_head);
}
const_iterator end()const
{
return const_iterator(_head);
}
//反向迭代器获取
reverse_iterator rbegin()
{
return reverse_iterator(end());
}
reverse_iterator rend()
{
return reverse_iterator(begin());
}
const_reverse_iterator rbegin()const
{
return const_reverse_iterator(end());
}
const_reverse_iterator rend()const
{
return const_reverse_iterator(begin());
}
//插入节点
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
assert(pos._it);
//保存pos的前一个位置
Node* cru = pos._it;
Node* prve = cru->_prve;
//创建节点
Node* newNode = new Node(val);
//链接
prve->_next = newNode;
newNode->_prve = prve;
newNode->_next = cru;
cru->_prve = newNode;
return pos;
}
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos._it);
Node* cru = pos._it;
Node* prve = cru->_prve;
Node* next = cru->_next;
//链接
prve->_next = next;
next->_prve = prve;
//释放cru
delete cru;
return next;
}
void pop_back()
{
erase(end());
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
private:
Node* _head;
};
//--------------------------------------------------------------------------------------------
//以下是测试内容
void listTest1()
{
list<int> l;
l.push_back(1);
l.push_back(2);
l.push_back(3);
l.push_front(30);
l.push_front(20);
l.push_front(10);
}
void a(const list<int>& l)
{
list<int>::const_iterator it = l.begin();
while (it != l.end())
{
//*it = 5;
cout << *it << " ";
it++;
}
}
void listTest2()
{
list<int> l;
l.push_back(1);
l.push_back(2);
l.push_back(3);
list<int>::iterator it = l.begin();
while (it != l.end())
{
*it = 55;
cout << *it << " ";
++it;
}
//a(l);
}
void listTest3()
{
list<int> l;
l.push_back(1);
l.push_back(2);
l.push_back(4);
l.push_back(5);
l.insert(l.begin(),100);
l.insert(l.end(), 10);
list<int>::iterator it = l.begin();
while (it != l.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
it = l.erase(it);
}
else
++it;
}
it = l.begin();
while (it != l.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
}
void listTest4()
{
list<int> l;
l.push_back(1);
l.push_back(2);
l.push_back(4);
l.push_back(5);
l.clear();
l.push_back(1);
l.push_back(2);
l.push_back(4);
l.push_back(5);
list<int> l2 = l;
list<int>::iterator it = l2.begin();
while (it != l2.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
}
void listTest5()
{
list<Date> l;
l.push_back(Date(2022, 1, 3));
l.push_back(Date(2022, 1, 4));
l.push_back(Date(2022, 1, 5));
list<Date>::iterator it = l.begin();
while (it != l.end())
{
cout << it->_year << "/"<<it->_month<<"/"<<it->_day<<endl;
++it;
}
}
void listTest6()
{
list<Date> l;
l.push_back(Date(2022, 1, 3));
l.push_back(Date(2022, 1, 4));
l.push_back(Date(2022, 1, 5));
list<Date>::reverse_iterator it = l.rbegin();
while (it != l.rend())
{
cout << it->_year << "/" << it->_month << "/" << it->_day << endl;
++it;
}
}
}
反向迭代器代码:
reverse_iterator.h
#pragma once
template<class iterator,class Ref,class Ptr>
class _reverse_iterator
{
typedef _reverse_iterator<iterator, Ref, Ptr> self;
public:
_reverse_iterator(iterator it)
:_it(it)
{}
//前置++
self& operator++()
{
--_it;
return *this;
}
//后置++
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
--_it;
return tmp;
}
//前置--
self& operator--()
{
++_it;
return *this;
}
//后置--
self operator--(int)
{
self tmp(*this);
++_it;
return tmp;
}
Ref operator*()
{
iterator tmp = (*this)._it;
return *(--tmp);
}
Ptr operator->()
{
return &operator*();
}
bool operator!=(const self& it)
{
return _it != it._it;
}
bool operator!=(const self& it)const
{
return _it != it._it;
}
bool operator==(const self& it)
{
return _it == it._it;
}
bool operator==(const self& it)const
{
return _it == it._it;
}
private:
iterator _it;
};
主程序代码:
#include"list.h"
void listTest()
{
//wyl::listTest2();
//wyl::listTest3();
//wyl::listTest4();
//wyl::listTest5();
wyl::listTest6();
}
int main()
{
listTest();
}
总结:
list的实现，其实最主要的部分还是迭代器。list的迭代器是比较特殊的，因为list在内存中不是连续存储的。以上代码都是我边打，边测试，没问题了才会发出来。如果有什么没测试到的错误，欢迎大家指出。以后会持续为大家更新STL的内容，以及数据结构，C语言，linux等方面的内容。感谢大家的支持，如果感觉写的还不错，麻烦给个三连嘛。我会多多努力的！