【C++】list模拟实现

zxctscl

发布于 2024-04-10 08:39:51

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发布于 2024-04-10 08:39:51

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1. 前言

在前面一篇博客中分享了list的相关介绍【C++】list介绍，这次来模拟实现一下list。

2. list源码

成员变量：

无参构造：

插入：

3. 初始化

在库里面定义节点需要全部公有时用到的就是struct：

这里我们也用相同方法自己定义出一个节点：

   	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode<T>* _next;
		ListNode<T>* _prev;
		T _data;

		ListNode(const T& x = T())
			:_next(nullptr)
			,_prev(nullptr)
			,_data(x)
		{}
	};

然后在写list类时候就要用到上面结构体。

list类里面成员变量就有：

	private:
		Node* _head;

3.1 构造

先来一个无参构造，实现的双向带头循环链表，先定义哨兵位节点，让它的next和prev都指向自己：

		list()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
			
			_size = 0;
		}

3.2 拷贝构造

链表的拷贝构造，先写一个初始化链表的函数：

		void empty_init()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;

			_size = 0;
		}

就直接在初始化的基础上，遍历拷贝的数据，再把数据全部插入到新链表就可以了：

	list(const list<T>& lt)
		{
			empty_init();
			for (auto& e : lt)
			{
				push_back(e);
			}
		}

测试一下：

	void test_list3()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);
		lt.push_back(5);

		PrintList(lt);

		list<int> lt1(lt);
		PrintList(lt1);
	}

3.3 赋值

直接复用swap，出了作用域lt之前的数据会销毁，再返回*this就可以了。

		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}

3.4 析构

析构在clear的基础上，要把哨兵位也删除

		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

怎么判断要不要析构？ 如果需要析构，一般就需要自己写深拷贝 如果不需要析构，一般就不需要自己写深拷贝，默认浅拷贝就可以

4. 迭代器

这里原生指针不能充当迭代器，list物理空间不连续，这里Node*加加不能到下一个节点，而且解引用Node*是Node也不能找到数据。这时Node*已经不能满足需求了，这里就得封装一个类。内置类型不能满足需求，就自定义类型。来看看库里面是怎么实现的：

来实现一下：

	    typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListIterator<T> Self;
		Node* _node;
		
		ListIterator(Node* node)
			:_node(node)
		{}

4.1 后置加加和前置加加

实现加加，加加就到下一个位置，需要迭代器去访问

代码实现：

	Self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

前置加加：返回的是加加之前的node，所以得先记录下数据（拷贝构造一份），再加加，然后返回之前记录下的节点。

		Self& operator++(int)
		{
			Self tmp(*this);
			_node = _node->_next;
			return tmp;

		}

4.2 后置减减和前置减减

后置减减和后置加加类似：

		Self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

前置减减和前置加加类似：

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

4.3 解引用

这里*it返回的是什么值？要返回的时节点里面的data

		T& operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

4.4 `！=`和`==`

比较两个迭代器相不相等，比较的是节点的指针

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

重载==:

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

4.5 begin 和 end

begin执行第一个节点，也就是head的next

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

这里是用来匿名对象来构造迭代器:

还可以写成：单参数的构造，支持隐私类型转换

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

end指向的是head

		iterator end()
		{
			return iterator(_head);
		}

4.6 const迭代器

不能直接在原来的迭代器上面加上const，会导致普通迭代器就不能修改了。 const迭代器，需要是迭代器不能修改，还是迭代器指向的内容？迭代器指向的内容不能修改！const iterator不是我们需要const迭代器，所以不能在普通迭代器的前面加const。

使用就增加一个重载的const迭代器：

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

		const_iterator end() const
		{
			return _head;

那么就得单独搞一个类ListConstIterator，让const迭代器*it不能修改：再把相同的操作符重载一下

template<class T>
	struct ListConstIterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef ListConstIterator<T> Self;

		Node* _node;

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

		// *it
		const T& operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

		// it->
		const T* operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}

		// ++it
		Self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		Self operator++(int)
		{
			Self tmp(*this);
			_node = _node->_next;

			return tmp;
		}

		Self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		Self operator--(int)
		{
			Self tmp(*this);
			_node = _node->_prev;

			return tmp;
		}

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

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

4.7 迭代器优化

发现普通迭代器和const迭代器里面很多运算符都是一样的，而const迭代器里面就直是不能修改指向的内容，代码显得冗余。就可以用模板来修改这两个类，把他们两个融成一个类。就是返回值的类型不同，就用模板变，用一个模板参数：template<class T, class Ref, class Ptr>：

	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
		//T& operator*()
		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

		// it->
		//T* operator->()
		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}

		// ++it
		Self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		Self operator++(int)
		{
			Self tmp(*this);
			_node = _node->_next;

			return tmp;
		}

		Self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		Self operator--(int)
		{
			Self tmp(*this);
			_node = _node->_prev;

			return tmp;
		}

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

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

本质上相当于我们写了一个类模板，编译器实例化生成两个类。

从而在list类里面就修改为:

		typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

5. Modifiers

5.1 insert

insert实现在某一个位置之前插入一个节点先搞一个节点，然后记录原链表pos位置的指针，然后一前一后改指向

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

5.2 push_back

新开一个节点，然后让原链表的tail指向新节点，让新节点的prev指向tail，再把head的prev改为新节点，新节点的next改为head。

代码实现：

       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;
		}

来测试一下：

   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())
		{
			cout << *it << " ";
			it++;
		}
		cout << endl;


	}

push_back用erase来实现会更简单：在end位置插入一个数

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

5.3 push_front

头插就是在begin插入一个数：

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

测试一下：

5.4 erase

先记录下要删除的节点，和它前一个节点prev 还有它的后一个节点next。然后让prev的_next 指向next;next的_prev 指向 prev。删除会导致迭代器失效的问题，为了避免，就返回删除节点的下一个位置。

		iterator erase(iterator pos)
		{
			Node* cur = pos._node;
			Node* prev = cur->_prev;
			Node* next = cur->_next;

			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete cur;

			return iterator(next);
		}

5.5 pop_back

尾删复用erase，而尾是在end前面的一个位置，所以先减减end再删除

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

5.6 pop_front

因为begin所在的位置就是头节点，所以直接删除begin就可以：

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

5.7 重载operator->

用户自定义一个类型：

     struct A
	{
		int _a1;
		int _a2;

		A(int a1 = 0, int a2 = 0)
			:_a1(a1)
			, _a2(a2)
		{}
	};

调用push_back插入数据，可以是匿名对象，也可以多参数进行隐式类型转换：

		list<A> lt;
		A aa1(1, 1);
		A aa2 = { 1, 1 };
		lt.push_back(aa1);
		lt.push_back(aa2);
		lt.push_back(A(2, 2));
		lt.push_back({ 3, 3 });
		lt.push_back({ 4, 4 });

但是要把数据输出到屏幕上，使用*it是不可以的：

A是一个自定义类型，A不支持流插入，要想指出就得自己写一个重载一个。如果不想写，可以换个方式，这里的数据是公有的可以直接访问。就直接*it返回的是A，再拿到a1和a2的数据就可以：

		list<A>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			cout <<(*it)._a1<<":" << (*it)._a2 <<endl;
			++it;
		}
		cout << endl;

这里A*的一个指针访问数据是先解引用，返回A对象，再来.对象里面的成员变量:

		A* ptr = &aa1;
		(*ptr)._a1;

迭代器就是想要模仿A*的行为，所以迭代器就重载了一个->:it->,它返回的是data的地址。

       T* operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}

访问它里面的就是这样：

cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl;

其实是编译器为了可读性，省略了一个箭头：第一个箭头是运算符重载，就返回data里面的地址也就是A*，第二个箭头就能访问A里面的数据了。

原生指针的行为就是：

cout << it.operator->()->_a1 << ":" << it.operator->()->_a2 << endl;

测试一下都能使用：

	void test_list2()
	{
		list<A> lt;
		A aa1(1, 1);
		A aa2 = { 1, 1 };
		lt.push_back(aa1);
		lt.push_back(aa2);
		lt.push_back(A(2, 2));
		lt.push_back({ 3, 3 });
		lt.push_back({ 4, 4 });

		list<A>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl;
			cout << it.operator->()->_a1 << ":" << it.operator->()->_a2 << endl;

			++it;
		}
		cout << endl;
	}

5.8 swap

直接调用库里面的swap来交换：

		void swap(list<T>& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);
			std::swap(_size, lt._size);
		}

5.9 clear

clear清理掉所有数据，直接复用迭代器来把数据全部删除，但是没有清理掉哨兵位head

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

6. 附代码

#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;
#include<assert.h>

namespace bit
{
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode<T>* _next;
		ListNode<T>* _prev;
		T _data;

		ListNode(const T& x = T())
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _data(x)
		{}
	};

	// typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
	// typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

	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
		//T& operator*()
		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

		// it->
		//T* operator->()
		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}

		// ++it
		Self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		Self operator++(int)
		{
			Self tmp(*this);
			_node = _node->_next;

			return tmp;
		}

		Self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		Self operator--(int)
		{
			Self tmp(*this);
			_node = _node->_prev;

			return tmp;
		}

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

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

	//template<class T>
	//struct ListConstIterator
	//{
	//	typedef ListNode<T> Node;
	//	typedef ListConstIterator<T> Self;
	//	Node* _node;
	//	ListConstIterator(Node* node)
	//		:_node(node)
	//	{}
	//	// *it
	//	const T& operator*()
	//	{
	//		return _node->_data;
	//	}
	//	// it->
	//	const T* operator->()
	//	{
	//		return &_node->_data;
	//	}
	//	// ++it
	//	Self& operator++()
	//	{
	//		_node = _node->_next;
	//		return *this;
	//	}
	//	Self operator++(int)
	//	{
	//		Self tmp(*this);
	//		_node = _node->_next;
	//		return tmp;
	//	}
	//	Self& operator--()
	//	{
	//		_node = _node->_prev;
	//		return *this;
	//	}
	//	Self operator--(int)
	//	{
	//		Self tmp(*this);
	//		_node = _node->_prev;
	//		return tmp;
	//	}
	//	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;

		typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

		//iterator begin()
		//{
		//	//return iterator(_head->_next);
		//	iterator it(_head->_next);
		//	return it;
		//}

		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;
		}

		list()
		{
			empty_init();
		}

		// lt2(lt1)
		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 = lt3
		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			swap(lt);
			return *this;
		}

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

		~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;

			// prev newnode cur;
			prev->_next = newnode;
			newnode->_prev = prev;
			newnode->_next = cur;
			cur->_prev = newnode;
			_size++;
		}

		iterator erase(iterator pos)
		{
			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;
		size_t _size;
	};


	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())
		{

			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;

		/*lt.push_front(10);
		lt.push_front(20);
		lt.push_front(30);*/
		/*lt.pop_back();
		lt.pop_back();
		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;*/
		lt.pop_front();
		lt.pop_front();

		for (auto e : lt)
		{
			cout << e << " ";
		}
		cout << endl;
	}

	struct A
	{
		int _a1;
		int _a2;

		A(int a1 = 0, int a2 = 0)
			:_a1(a1)
			, _a2(a2)
		{}
	};

	void test_list2()
	{
		list<A> lt;
		A aa1(1, 1);
		A aa2 = { 1, 1 };
		lt.push_back(aa1);
		lt.push_back(aa2);
		lt.push_back(A(2, 2));
		lt.push_back({ 3, 3 });
		lt.push_back({ 4, 4 });

		//A* ptr = &aa1;
		//(*ptr)._a1;
		//ptr->_a1;
		//list<A>::iterator it = lt.begin();
		//while (it != lt.end())
		//{
		//	cout <<(*it)._a1<<":" << (*it)._a2 <<endl;
		//	++it;
		//}
		//cout << endl;

		list<A>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl;
			cout << it.operator->()->_a1 << ":" << it.operator->()->_a2 << endl;

			++it;
		}
		cout << endl;
	}
	void PrintList(const list<int>& clt)
	{
		list<int>::const_iterator it = clt.begin();
		while (it != clt.end())
		{
			//*it += 10;

			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}

	void test_list3()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2);
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);
		lt.push_back(5);

		PrintList(lt);

		list<int> lt1(lt);
		PrintList(lt1);
	}

}

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