模拟实现list

目录

  • list的实现结构
  • 节点的实现
  • 迭代器的实现
    • 第一个模板参数T
    • 第二个模板参数Ref
    • 第三个模板参数Ptr
  • 实现list中的接口函数
    • 插入和删除
    • 赋值重载和拷贝构造
    • 析构函数
  • 总结

list的实现结构

STL库中的list的结构是双向循环链表，所以我们这里也实现一个双向循环链表

我们这里采取带头双向循环链表

为了方便节点间的操作，可以将节点封装成一个结构体

list中的迭代器是双向迭代器，只支持++和--操作，不支持+,-,所以不能用一个指针用作迭代器，所以还需要将迭代器封装成一个结构体，在结构体中对迭代器的一些操作进行实现

节点的实现

template<class T>struct __list_node{__list_node<T>* _next;__list_node<T>* _prev;T _val;__list_node(const T& val = T()):_next(nullptr),_prev(nullptr),_val(val){}};

主义，这是一个类模板，类名是__list_node，类型是__list_node<T>
所以2个指针_next，_prev的类型是__list_node<T>，分别指向前一个节点和后一个节点

现在，我们就可以把头节点作在为ist类中的成员变量

节点的类型为__list_node<T>，比较麻烦，这里我们可以 typedef __list_node<T> Node

因为在类外我们不会直接用到Node，所以把typedef __list_node<T> Node放到private中就可以

同时实现构造函数，让_head的_next指向自己，_prev也指向自己

template<class T >class list{typedef __list_node<T> Node;public:list(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}private:Node* _head;};

迭代器的实现

list的迭代器是双向迭代器，只支持++和--操作，不支持+,-
所以不能只是简单的服用指针
要对指针进行封装，在结构体中实现++,--,*,->等操作

第一个模板参数T

list迭代器的底层其实还是Node*类型的指针

	template<class T>struct __list__iterator{typedef __list_node<T> Node;typedef __list__iterator<T> Iter;__list__iterator(Node* pnode):_pnode(pnode){}Node* _pnode;};

因为总使用__list_node<T>和__list__iterator<T>比较麻烦，所以typedef __list_node<T> Node; typedef __list__iterator<T> Iter;

++操作实际上的底层是当前迭代器指向当前指向节点的下一个节点
--操作实际上的底层是当前迭代器指向当前指向节点的前一个节点

所以下面就可以实习++,--操作

Iter& operator++()
{_pnode = _pnode->_next;return *this;
}Iter operator++(int)
{Iter tmp(*this);_pnode = _pnode->_next;return tmp;
}Iter& operator--()
{_pnode = _pnode->_prev;return *this;
}Iter operator--(int)
{Iter tmp(*this);_pnode = _pnode->_prev;return tmp;
}

解引用操作也就是返回迭代器指向节点中的值

T& operator*()
{return _pnode->_val;
}T* operator->()
{return &_pnode->_val;
}

!=和==就是比较迭代器下面的指针

bool operator!=(const Iter it)
{return _pnode != it._pnode;
}bool operator==(const Iter it)
{return _pnode == it._pnode;
}

接下来在list中实现begin()和end()函数
__list__iterator<T>麻烦，typedef成iterator

typedef __list__iterator<T> iterator;

我们需要在类外使用到iterator，所以这句typedef要放到public中

list的结构如下：
在这里插入图片描述
因为begin()返回的是指向第一个有效节点的迭代器，所以_head->_next就是第一个有效节点

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

end()返回的是最后一个节点的下一个位置，这里最后一个节点的下一个位置就是_head
在这里插入图片描述

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

第二个模板参数Ref

现在有一个问题，就是如何实现const_iterator，在前面iterator的基础上，我们可以在封装一个const_iterator的结构体，其中的返回值改为const T&或const T*

但是再封装一个，就会导致代码冗余

这里我们引入第二个模板参数class Ref
这个参数是用来接收返回引用的类型的可以是T&也可以是const T&

所以这时的*重载返回值就是Ref了

Ref operator*()
{return _pnode->_val;
}

第三个模板参数Ptr

同理，对于->重载的返回类型是指针
引入第三个模板参数Ptr

它是用来接收T*和const T*的

Ptr operator->()
{return &_pnode->_val;
}

现在就可以在list中实现cbegin和cend1了

首先还是将typedef出iterator和const_iterator

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

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

实现list中的接口函数

插入和删除

这里的insert和erase的实现和C语言中实现链表的操作一样，比较容易

这里唯一需要注意的是：insert函数返回插入新节点的迭代器，erase函数返回删除节点后，删除节点下一个节点位置的迭代器

iterator insert(iterator it, const T& val)
{Node* newnode = new Node(val);Node* cur = it._pnode;Node* prev = it._pnode->_prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;_size++;return newnode;
}iterator erase(iterator it)
{assert(it != _head);//需要检查一下it是否是头节点位置的迭代器，头节点不能删除Node* del = it._pnode;Node* prev = it._pnode->_prev;Node* nex = it._pnode->_next;prev->_next = nex;nex->_prev = prev;_size--;delete del;return nex;
}

实现了insert和erase后，通过复用这两个函数，就可以实现push_back,push_front,pop_back,pop_front函数了

void push_back(const T& val)
{insert(end(), val);
}void push_front(const T& val)
{insert(begin(), val);
}void pop_back()
{erase(_head->_prev);
}void pop_front()
{erase(_head->_next);
}

赋值重载和拷贝构造

赋值重载的实现，可以使用现代写法，和在vector中赋值重载的写法类似，使用swap

void swap(list<T> lt)
{std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);
}//赋值重载现代写法
list<T> operator=(list<T> lt)	
{swap(lt);return *this;
}

拷贝构造，我们先构造出一个list，然后用push_back向里面插入节点

//拷贝构造
list(const list<T>& lt)
{_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;for (auto& e : lt){push_back(e);}}

这里有一点：
库中复制拷贝和运算符重载中参数列表中形参类型不是list<T>，而是list类型没有指定后面的模板参数
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

析构函数

析构函数需要清理空间，对于链表来说，我们不能只清理头节点
我们需要清理掉有有效节点后，最后清理掉头节点

这里我们定义一个清理掉有有效节点的函数
使用erase+循环清理节点

void clear()
{iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}_size = 0;
}

然后在销毁函数中调用clear函数，再清理掉头节点

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

总结

此时，list的模拟实现就基本完成了

  • list的模拟实现中，有难度的地方就是把指针封装成迭代器，在封装中实现以及限制了迭代器的作用
  • 对于复杂类型，我们可以typedef出一个简单的别名，对于这个别名,如果要在类外使用就定义在public里，如果不允许在类外使用，就定义在private中

完整代码：

namespace my_list
{template<class T>struct __list_node{__list_node<T>* _next;__list_node<T>* _prev;T _val;__list_node(const T& val = T()):_next(nullptr), _prev(nullptr), _val(val){}};//typedef __list__iterator<T,T&,T*> iterator;//typedef __list__iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;template<class T, class Ref, class Ptr>struct __list__iterator{typedef __list_node<T> Node;typedef __list__iterator<T, Ref, Ptr> Iter;__list__iterator(Node* pnode):_pnode(pnode){}Node* _pnode;bool operator!=(const Iter it){return _pnode != it._pnode;}bool operator==(const Iter it){return _pnode == it._pnode;}Iter& operator++(){_pnode = _pnode->_next;return *this;}Iter operator++(int){Iter tmp(*this);_pnode = _pnode->_next;return tmp;}Iter& operator--(){_pnode = _pnode->_prev;return *this;}Iter operator--(int){Iter tmp(*this);_pnode = _pnode->_prev;return tmp;}Ref operator*(){return _pnode->_val;}Ptr operator->(){return &_pnode->_val;}};template<class T >class list{typedef __list_node<T> Node;public:typedef __list__iterator<T, T&, T*> iterator;typedef __list__iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;iterator begin(){return iterator(_head->_next);}iterator end(){return iterator(_head);}const_iterator begin()const{return const_iterator(_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(){empty_init();}list(size_t n, const T& val = T()){empty_init();for (int i = 0; i < n; i++){push_back(val);}}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}//拷贝构造list(const list<T>& lt)//list(const list& lt)   //库中的拷贝构造是这么定义的，list类型没有指定后面的模板参数{empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}}void swap(list<T> lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}//赋值重载现代写法list<T> operator=(list<T> lt)//list operator=(list lt)  //库中的赋值重载是这么定义的，list类型没有指定后面的模板参数{swap(lt);return *this;}size_t size() const{return _size;}bool empty() const{if (_head->_next == _head || _head->_prev == _head)return true;elsereturn false;}iterator insert(iterator it, const T& val){Node* newnode = new Node(val);Node* cur = it._pnode;Node* prev = it._pnode->_prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;_size++;return newnode;}iterator erase(iterator it){assert(it != _head);//需要检查一下it是否是头节点位置的迭代器，头节点不能删除Node* del = it._pnode;Node* prev = it._pnode->_prev;Node* nex = it._pnode->_next;prev->_next = nex;nex->_prev = prev;_size--;delete del;return nex;}void push_back(const T& val){insert(end(), val);}void push_front(const T& val){insert(begin(), val);}void pop_back(){erase(_head->_prev);}void pop_front(){erase(_head->_next);}void print(){iterator it = begin();while (it != end()){std::cout << *it << " ";it++;}std::cout << std::endl;}void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);//经过erase后的迭代器会失效，为了让循环继续下去，用it接收erase返回的迭代器(删除位置迭代器的下一个位置的迭代器)}_size = 0;}private:Node* _head;size_t _size; //加一个_size成员变量，如果不设置_size，在实现size()函数时就需要遍历list，时间复杂度为O(n)};}

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