【C++】list模拟实现

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目录

导读

1. vector与list的区别

2. 模拟实现

2.1 三个基本类

2.2 节点类实现

2.3 迭代器类实现

2.3.1基础实现及构造函数

 2.3.2 operator*

2.3.3 operator->

2.3.4 operator前置++和后置++

2.3 5 operator前置--和后置--

 2.3.6 operator!=和operator==

2.4 list功能类实现

2.4.1 基础实现

2.4.2 构造函数

2.4.3 begin()和end()

2.4.4 拷贝构造函数

2.4.5 赋值运算符重载

2.4.6 insert（）

2.4.7 push_back（）

2.4.8 push_front（）

 2.4.9 erase（）

2.4.10 pop_back（）

2.4.11 pop_front（）

2.4.12 clear（）

2.4.13 析构函数

2.4.14 size（）

2.4.15 empty（）

3. 代码整理

3.1 list.h

3.2 test.cpp

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导读

我们刚刚学习了list的一些基本的使用，现在我们来尝试着模拟实现一下。

需要注意的是，我们需要写三个类来进行模拟实现。

1. vector与list的区别

vector与list都是STL中非常重要的序列式容器，由于两个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不 同，其主要不同如下：

	vector	list
底 层 结 构	动态顺序表，一段连续空间	带头结点的双向循环链表
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	任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间复杂 度为O(N)，插入时有可能需要增容，增容：开辟新空 间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低	任意位置插入和删除效率高，不 需要搬移元素，时间复杂度为 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	原生态指针	对原生态指针(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 元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，删 除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效	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，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

2. 模拟实现

2.1 三个基本类

真正实现list，我们需要完成三个类：

1. 节点类
2. 迭代器类
3. list功能类

为什么要写三个类？

我们在上面与vector的对比中了解到，list的空间不是连续的，节点类是好理解的，因为每个节点都有前驱指针、后驱指针以及数据，设定节点类更方便我们进行管理。也正是因为list每个节点空间并不是连续的，所以它的迭代器并不像vector或是string那样可以直接使用，而是需要我们自己来实现它，以便于让它++或是--能访问到下一个节点。

2.2 节点类实现

在节点类中，有三个成员变量：

1. _prev：指向前一个节点的指针。
2. _next：指向后一个节点的指针。
3. _data：节点的数据。

节点类有一个默认构造函数，默认参数为T()，其中T是模板类型。构造函数初始化了成员变量，将_prev和_next指针置为nullptr，_data置为给定的值（默认为类型T的默认值）。

当 T 被具体化为 int 时，ListNode<int>* 就是指向 ListNode<int> 类型对象的指针，类似于 int* 是指向 int 类型对象的指针。

	//节点类实现template<class T>struct ListNode{ListNode<T>* _prev;//C++中可省略了structListNode<T>* _next;T _data;//构造函数ListNode(const T& x = T()):_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(x){}};

2.3 迭代器类实现

2.3.1基础实现及构造函数

代码中定义了三个模板参数：T 表示节点中存储的数据类型，Ref 表示引用类型，Ptr 表示指针类型。Node* _node 是指向当前节点的指针。

ListIterator(Node* node) 是构造函数，用于初始化迭代器对象。它接受一个参数 node，表示要遍历的节点。

//迭代器类实现template<class T, class Ref, class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* _node;ListIterator(Node* node):_node(node){}}

通过使用模板参数，可以实现在不同类型的节点上使用相同的迭代器类。例如，可以用 ListIterator<int, int&, int*> 来遍历存储 int 类型数据的链表，或者用 ListIterator<string, string&, string*> 来遍历存储 string 类型数据的链表。

 2.3.2 operator*

		//*it（调用的是函数，返回节点中的值）//T& operator*()Ref operator*(){return _node->_data;}

2.3.3 operator->

这个重载是服务于自定义类型的，比如Date类，如果需要访问Date类中的元素则需

list<Date>::iterator it;   
it->Date->data;

		//it->           自定义类型需要//T* operator->()//list<Date>::iterator it;   it->Date->data;Ptr operator->(){return &_node->_data;}

2.3.4 operator前置++和后置++

		//++it 迭代器++本质就是指针往后移，加完后还应是个迭代器Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//it++Self operator++(int)//加参数方便区分前置++和后置++{Self tmp(*this);//拷贝构造，记录当前节点_node = _node->_next;return tmp;//因为是先使用再++，所以返回原先节点方便使用}

2.3 5 operator前置--和后置--

		//--itSelf& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//it--Self operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}

 2.3.6 operator!=和operator==

		//it != end()bool operator!=(const Self& it){return _node != it._node;}bool operator==(const Self& it){return _node == it._node;}

2.4 list功能类实现

2.4.1 基础实现

	template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public:typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;private:Node* _head;//头节点size_t _size;};

2.4.2 构造函数

对哨兵位的头结点_head进行初始化

		void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}//构造函数list(){empty_init();}

2.4.3 begin()和end()

begin的作用是返回第一个位置的结点的迭代器，而第一个结点就是哨兵位头结点的下一个结点。

end的作用就是返回最后一个有效数据的下一个位置的迭代器，而这里对于list指的就是头结点_head的位置。

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

2.4.4 拷贝构造函数

		// lt2(lt1)拷贝构造list(const list<T>& lt){empty_init();//遍历lt1，把lt1的元素push_back到lt2里头for (auto& e : lt){push_back(e);}}

2.4.5 赋值运算符重载

		void swap(list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}//lt1 = lt2list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}

2.4.6 insert（）

1. 获取要插入位置的迭代器pos所指向的节点cur。
2. 创建一个新的节点newnode，并将其数据值初始化为传入的参数val。
3. 获取当前节点cur的前一个节点prev。
4. 将新节点newnode插入到当前位置：
   • 将前一个节点的下一个节点指针_next指向新节点newnode。
   • 将新节点的前一个节点指针_prev指向前一个节点。
   • 将新节点的下一个节点指针_next指向当前节点cur。
   • 将当前节点的前一个节点指针_prev指向新节点newnode。
5. 增加链表的大小_size。

		void insert(iterator pos, const T& val){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(val);Node* prev = cur->_prev;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;_size++;}

2.4.7 push_back（）

法一：

1. 创建一个新的节点newnode，并将其数据值初始化为传入的参数x。
2. 获取链表的尾节点tail，即链表头节点的前一个节点。
3. 将新节点newnode插入到链表尾部：
   • 将尾节点的下一个节点指针_next指向新节点newnode。
   • 将新节点的前一个节点指针_prev指向尾节点。
   • 将新节点的下一个节点指针_next指向链表头节点。
   • 将链表头节点的前一个节点指针_prev指向新节点newnode。

		void push_back(const T& x){Node* newnode = new Node(x);Node* tail = _head->_prev;tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;newnode->_next = _head;_head->_prev = newnode;}

法二： 

直接调用insert（）函数

		void push_back(const T& x){insert(end(), x);}

2.4.8 push_front（）

		void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}

 2.4.9 erase（）

1. 首先判断传入的迭代器pos是否指向链表的末尾，如果是，则抛出异常。
2. 获取要删除位置的迭代器pos所指向的节点cur。
3. 获取当前节点cur的前一个节点prev和后一个节点next。
4. 将前一个节点的下一个节点指针_next指向后一个节点。
5. 将后一个节点的前一个节点指针_prev指向前一个节点。
6. 删除当前节点cur。
7. 减少链表的大小_size。
8. 返回一个指向下一个节点的迭代器。

		iterator 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;_size--;return iterator(next);}

2.4.10 pop_back（）

直接复用erase函数

		void pop_back(){erase(--end());}

2.4.11 pop_front（）

		void pop_front(){erase(begin());}

2.4.12 clear（）

复用erase函数，遍历每个节点。

		void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}

2.4.13 析构函数

调用clear函数，并释放哨兵节点。

		//析构函数~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}

2.4.14 size（）

		size_t size() const{return _size;}

2.4.15 empty（）

判断size是否等于0。

		bool empty(){return size == 0;}

3. 代码整理

3.1 list.h

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>namespace mylist
{//节点类实现template<class T>struct ListNode{ListNode<T>* _prev;//C++中可省略了structListNode<T>* _next;T _data;//构造函数ListNode(const T& x = T()):_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(x){}};//迭代器类实现template<class T, class Ref, class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* _node;ListIterator(Node* node):_node(node){}//*it（调用的是函数，返回节点中的值）//T& operator*()Ref operator*(){return _node->_data;}//it->           自定义类型需要//T* operator->()//list<Date>::iterator it;   it->Date->data;Ptr operator->(){return &_node->_data;}//++it 迭代器++本质就是指针往后移，加完后还应是个迭代器Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//it++Self operator++(int)//加参数方便区分前置++和后置++{Self tmp(*this);//拷贝构造，记录当前节点_node = _node->_next;return tmp;//因为是先使用再++，所以返回原先节点方便使用}//--itSelf& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//it--Self operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}//it != end()bool operator!=(const Self& it){return _node != it._node;}bool operator==(const Self& it){return _node == it._node;}};//链表类template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public:typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;iterator begin(){return _head->_next;}iterator end(){return _head;}const_iterator begin() const{return _head->_next;}const_iterator end() const{return _head;}void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}//构造函数list(){empty_init();}// lt2(lt1)拷贝构造list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}}void swap(list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}//lt1 = lt2list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}//析构函数~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}/*void push_back(const T& x){Node* newnode = new Node(x);Node* tail = _head->_prev;tail->_next = newnode;newnode->_prev = tail;newnode->_next = _head;_head->_prev = newnode;}*/void push_back(const T& x){insert(end(), x);}void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}void insert(iterator pos, const T& val){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(val);Node* prev = cur->_prev;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;_size++;}void pop_back(){erase(--end());}void pop_front(){erase(begin());}iterator 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;_size--;return iterator(next);}size_t size() const{return _size;}bool empty(){return size == 0;}private:Node* _head;//头节点size_t _size;};void test1(){list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);lt.push_back(4);cout << "尾插" << endl;list<int>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;lt.push_front(10);lt.push_front(20);lt.push_front(30);cout << "头插" << endl;for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;lt.pop_back();lt.pop_back();lt.pop_front();lt.pop_front();cout << "头删尾删" << endl;for (auto e : lt){cout << e << " ";}cout << endl;}struct Date{int _year = 0;int _month = 1;int _day = 1;};void test2(){Date* p2 = new Date;*p2;//取到的是Datep2->_year;//取到的是Date类中的成员变量list<Date>lt;lt.push_back(Date());lt.push_back(Date());//list存了个日期类(自定义类型)的类型list<Date>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){//cout << *it << " ";cout << it->_year << "-" << it->_month << "-" << it->_day << endl;++it;}cout << endl;}}

3.2 test.cpp

#include "list.h"int main()
{//mylist::test1();mylist::test2();return 0;
}