【C++】深度解析：用 C++ 模拟实现 list 类，探索其底层实现细节

P_M_P

发布于 2024-07-27 11:01:26

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发布于 2024-07-27 11:01:26

文章被收录于专栏：P_M_P学习笔记

⭐list介绍

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。
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。
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。
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。
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

list的底层是双向链表结构，包含有一个哨兵节点。
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：

指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()
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->()
指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)
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--
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 next
	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
}

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 cur
	prev->_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 = lt3
		list<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 cur
			prev->_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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原始发表：2024-07-25，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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