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【C++】深度解析：用 C++ 模拟实现 list 类，探索其底层实现细节

news 来源：原创 2024/9/21 8:12:35

 

目录

list介绍

list模拟实现

list 节点类

list 的迭代器

定义 

构造函数

解引用

operator前置++和--与后置++和--

operator==与operator!=

list 类

构造函数

 begin()和end()

 拷贝构造

erase()

clear()

析构函数

insert

 push_back 和 push_front

pop_back 和 pop_front

完整代码

 

⭐list介绍

  1. list是可以在常数范围内在任意位置进行插入和删除的序列式容器，并且该容器可以前后双向迭代。
  2. list的底层是双向链表结构，双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中，在节点中通过指针指向其前一个元素和后一个元素。
  3. list与forward_list非常相似：最主要的不同在于forward_list是单链表，只能朝前迭代，已让其更简单高效。
  4. 与其他的序列式容器相比(array，vector，deque)，list通常在任意位置进行插入、移除元素的执行效率更好。
  5. 与其他序列式容器相比，list和forward_list最大的缺陷是不支持任意位置的随机访问，比如：要访问list 的第6个元素，必须从已知的位置(比如头部或者尾部)迭代到该位置，在这段位置上迭代需要线性的时间开销；list还需要一些额外的空间，以保存每个节点的相关联信息(对于存储类型较小元素的大list来说这可能是一个重要的因素)。

⭐list模拟实现

  1. list的底层是双向链表结构，包含有一个哨兵节点。
  2. 模拟实现list，要实现下列三个类：
  •         ①list节点类
  •         ②迭代器的类
  •         ③list主要功能的类(size()，empty()...)

模拟实现list的类的基本功能（增删等操作）要建立在迭代器类和节点类均已实现好的情况下才得以完成。

✨list 节点类

  • 定义list中的节点ListNode，包含前驱指针，后驱指针和数据变量；
  • 使用struct而不使用class定义类，是为了方便访问每个一个节点 ，struct默认是pbulic，而class中成员变量要定义为private，不方便访问。
	template<class T>struct ListNode{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;ListNode(const T& x = T()):_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(x){}};

✨list 的迭代器

迭代器有两种实现方式，具体应根据容器底层数据结构实现：

1. 原生态指针，比如：vector

2. 将原生态指针进行封装，因迭代器使用形式与指针完全相同，因此在自定义的类中必须实现以下方法：

  1. 指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()
  2. 指针可以通过->访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载oprator->()
  3. 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)
  4. 至于operator--()/operator--(int)释放需要重载，根据具体的结构来抉择，双向链表可以向前移动，所以需要重载，如果是forward_list就不需要重载--
  5. 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()

📖定义 

	template<class T,class Ref,class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T,Ref,Ptr> Self;//内置类型 指针Node* _node;}
  • 可以发现这里list的模板含有三个类型参数，这样做是为了方便让编译器能依照模板自动生成一个const迭代器，而不需要我们手动写。
  • 两个参数名Ref（reference:引用）和Ptr（pointer:指针），见名知义。

📖构造函数

		ListIterator(Node* node):_node(node){}

 迭代器指向所传节点

📖解引用

//*it 解引用
//T& operator*()
Ref operator*()
{return _node->_data;
}
//it->
//T* operator->()
Ptr operator->()
{return &_node->_data;
}
  • 重载 * ，解引用就可以直接访问到节点里面的数据data 
  • 如果访问的数据是Date类型的，那么重载 -> 就可以访问到Date类里面的_year、_day等（如果是Date类，那data就说Date类里面的数据） 

📖operator前置++和--与后置++和--

//前置++
Self& operator++()
{_node = _node->_next;return *this;
}
//后置++
Self operator++(int)
{Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp; // tmp 是一个局部变量，它在函数返回后将不再存在，所以不能返回引用
}
//前置--
Self& operator--()
{_node = _node->_prev;return *this;
}
//后置--
Self operator--(int)
{Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;// tmp 是一个局部变量，它在函数返回后将不再存在，所以不能返回引用
}

注：

  • 这里值得注意的是，为了区分前置和后置，我们会在后置的重载函数中传缺省值int，从而与前置构成重载 
  • 局部变量不能返回引用

📖operator==与operator!=

bool operator!=(const Self& it)
{return _node != it._node;
}
bool operator==(const Self& it)
{return _node == it._node;
}
  • 这个比较的就是两个迭代器中指向的节点的地址是否相等，从而可以判断迭代器是否指向了end() 。

✨list 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;
private:Node* _head;size_t _size;
}
  • 迭代器写成三个参数类型的模板，可以让编译器生成两个类，一个普通的iterator和一个const_iterator
  • const_iterator 只能读取它所指向的元素，不能修改。

📖构造函数

//带头双向循环链表的构造函数
list()
{_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;
}
  • 初始化时，new一个头节点，然后使这个头节点的前后指针都指向自己 

📖begin()和end()

iterator begin()
{return _head->_next;//也可以直接这么写，进行隐式类型转换（单参数的构造函数支持隐式类型转换）
}
iterator end()
{return iterator(_head);//匿名对象，局部变量 不能返回引用
}
//const迭代器需要的是迭代器指向的内容不能修改
//const iterator 是迭代器本身不能修改
const_iterator begin() const
{return _head->_next;
}
const_iterator end()const
{return const_iterator(_head);
}
  • 返回时使用了匿名对象，不用实例化一个新的对象
  • 不能引用返回的匿名对象
  • const迭代器指向的内容不能修改 

 📖拷贝构造

//lt2(lt)
list(const list<T>& lt) 
{empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}	
}
  • list的每个节点不连续，需要一个个拷贝 
  • 需要析构的时候，一般就需要自己写深拷贝

📖erase()

iterator erase(iterator pos)
{//prev cur nextNode* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;_size--;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;return iterator(next);//匿名对象，局部变量 不能返回引用
}

  • delete删除节点,每一个节点都是动态开辟出来的

  • 返回被删除元素后面一个元素的迭代器位置

📖clear()

void clear()
{iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}//不清除头节点 
}
  • erase之后，it更新到下一个节点的位置继续erase
  • clear()不删除头节点

📖析构函数

~list()
{clear();delete _head;_head = nullptr;
}
  • clear()删除除去头节点以外的所有节点
  • delete删除头节点

📖insert

void insert(iterator pos, const T& val)
{Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(val);Node* prev = cur->_prev;_size++;//prev newnode curprev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;
}
  • 插入到pos位置之前 

 📖push_back 和 push_front

void push_back(const T& x)
{insert(end(), x);
}
void push_front(const T& x)
{insert(begin(), x);
}
  • 复用insert ()

📖pop_back 和 pop_front

void pop_back()
{erase(--end());
}
void pop_front()
{erase(begin());
}
  • 复用erase() 

✨完整代码

template<class T>struct ListNode{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;ListNode(const T& x = T()):_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(x){}};template<class T,class Ref,class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T,Ref,Ptr> Self;//内置类型 指针Node* _node;ListIterator(Node* node):_node(node){}//*it 解引用//T& operator*()Ref operator*(){return _node->_data;}//it->//T* operator->()Ptr operator->(){return &_node->_data;}//前置++Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//后置++Self operator++(int){Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp; // tmp 是一个局部变量，它在函数返回后将不再存在，所以不能返回引用}//前置--Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//后置--Self operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;// tmp 是一个局部变量，它在函数返回后将不再存在，所以不能返回引用}bool operator!=(const Self& it){return _node != it._node;}bool operator==(const Self& it){return _node == it._node;} };template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public ://typedef ListIterator<T> iterator;//typedef ListConstIterator<T> const_iterator;//重新写一个ListConstIterator类(这个方法比较冗余)typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListIterator<T,const T&,const T*> const_iterator;//写成模板,让编译器生成两个类，而不是我们自己写/*iterator begin(){return iterator(_head->_next);}*/iterator begin(){return _head->_next;//也可以直接这么写，进行隐式类型转换（单参数的构造函数支持隐式类型转换）}iterator end(){return iterator(_head);//匿名对象，局部变量 不能返回引用}//const迭代器需要的是迭代器指向的内容不能修改//const iterator 是迭代器本身不能修改const_iterator begin() const{return _head->_next;}const_iterator end()const{return const_iterator(_head);}void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}list(){//this->empty_init();empty_init();}//lt2(lt)list(const list<T>& lt) {empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}}//需要析构，一般就需要自己写深拷贝void swap(list<T>& lt){//lt是局部变量std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}//lt1 = lt3list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}//不清除头节点 }~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}/*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 pop_back(){erase(--end());}void pop_front(){erase(begin());}void insert(iterator pos, const T& val){Node* cur = pos._node;Node* newnode = new Node(val);Node* prev = cur->_prev;_size++;//prev newnode curprev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;}iterator erase(iterator pos){Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;_size--;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;return iterator(next);//匿名对象，局部变量 不能返回引用}size_t size()const{return _size;}bool empty(){return _size == 0;}private:Node* _head;size_t _size;};

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