【C++】STL中List的详细实现解析

文章目录

  • 前言
  • list 代码实现
  • 1. 构造函数和析构函数
    • 1.1 构造函数
    • 1.2析构函数
  • 2.`operator=`的重载 和 拷贝构造函数
    • 2.1 拷贝构造
    • 2.2 operator=的重载
  • 3. 迭代器的实现
    • 3.1 普通迭代器
    • 3.2 `const`迭代器
  • 4. 插入和删除
  • 5. 测试代码
  • 总结

前言

在 C++ STL（标准模板库）中，List 是一个带头双向链表，可以存储多个元素并且支持动态调整大小，适合频繁插入和删除操作；而 Vector 是一个动态数组，元素在内存中是连续存储的，适合需要快速随机访问的场景。List 提供了添加、删除、查找等操作，而 Vector 除了这些基本操作外，还提供了按索引访问元素、在指定位置插入元素等功能，进而就可以很好的支持排序算法，二分查找，堆算法等，它的缺点是扩容要付出一定的代价，而且除了尾上的插入和删除外其他位置的插入和删除都不快（因为要挪动数据）。

list 代码实现

#include <iostream>
#include <assert.h>
using namespace std;namespace hd 
{template<class T> struct ListNode{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;ListNode(const T& x = T()) // ListNode的构造函数:_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(x){}};template<class T, class Ref, class Ptr>  struct _list_iterator	// 链表迭代器{typedef ListNode<T> Node;typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self;Node* _node;	//存放一个节点的指针变量_list_iterator(Node* node) :_node(node){}//++itself& operator++() {_node = _node->_next;return *this;}//it++self operator++(int) {self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}//--itself& operator--() {_node = _node->_prev;return *this;}//it--self operator--(int) {self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}// 模仿指针的 *Ref operator*() {return _node->_data;}// 模仿指针的 ->Ptr operator->() {return &_node->_data;}bool operator != (const self& s) {return _node != s._node;}bool operator == (const self& s) {return _node == s._node;}  };template<class T>class list	// 带头双向循环链表{typedef ListNode<T> Node;	// 节点的重定义public:typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;	// 迭代器的重定义typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator; // const迭代器的重定义//迭代器相关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() {	// 初始化链表_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list() {	//构造函数empty_init();}void clear() {	//清除链表元素iterator it = begin();while (it != end()) {it = erase(it);}}~list() {	//析构函数clear();delete _head;_head = nullptr;}list(const list<T>& It) {	// 拷贝构造empty_init();for (const auto& e : It) {push_back(e);}}void swap(list<T> tmp) {std::swap(_head, tmp._head);}//It1 = It2;list<T> operator=(const list<T> It) const {clear();for (const auto& e : It) {push_back(e);}return *this;}list<T>& operator=(list<T>/*&*/ It) {//if (this != &It) {//	clear();//	for (const auto& e : It) {//		push_back(e);//	}//}// 现代写法swap(It);return *this;}void push_back(const T& x) {//Node* newnode = new Node(x);//Node* tail = _head->_prev;//tail->_next = newnode;//newnode->_prev = tail;//_head->_prev = newnode;//newnode->_next = _head;insert(end(), x);	// 复用insert}void push_front(const T& x) {insert(begin(), x);}void pop_back() {erase(--end());}void pop_front() {erase(begin());}// vector insert会导致迭代器失效// list intert 不会导致迭代器失效iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* newnode = new Node(x);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;newnode->_prev = prev;prev->_next = newnode;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;//return iterator(newnode); //单参数的构造函数可以隐式类型转换return newnode;		// 返回插入节点迭代器}// 节点被delete掉了，存在迭代器失效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;return next;	//返回被删除元素元素的下一个元素的迭代器}private:Node* _head;	//头节点}; 
}

1. 构造函数和析构函数

1.1 构造函数

目的是对链表以及节点进行初始化

template<class T>
struct ListNode
{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;ListNode(const T& x = T()) // ListNode的构造函数:_next(nullptr), _prev(nullptr), _data(x){}
};

template<class T>
class list	// 带头双向循环链表
{typedef ListNode<T> Node;	// 节点的重定义void empty_init() {	// 初始化链表_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list() {	// list的构造函数empty_init();}
}

1.2析构函数

析构函数主要完成对资源的清理，这里通过调用clear对链表的节点进行删除。最后在将头结点空间进行释放，然后置空。

void clear() {	//清除链表元素iterator it = begin();while (it != end()) {it = erase(it);}
}~list() {	//析构函数clear();delete _head;_head = nullptr;
}

2.operator=的重载 和 拷贝构造函数

2.1 拷贝构造

对链表进行初始化，之后调用push_back函数尾插数据，完成拷贝构造。

void empty_init() {	// 初始化链表_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;
}
list(const list<T>& It) {	// 拷贝构造empty_init();for (const auto& e : It) {push_back(e);}
}

2.2 operator=的重载

下面分别是对const对象和非const对象的operator=的重载 /

void swap(list<T> tmp) {std::swap(_head, tmp._head);
}
//It1 = It2;
list<T> operator=(const list<T> It) const {clear();for (const auto& e : It) {push_back(e);}return *this;
}
list<T>& operator=(list<T>/*&*/ It) {//if (this != &It) {//	clear();//	for (const auto& e : It) {//		push_back(e);//	}//}// 现代写法swap(It);return *this;
}

3. 迭代器的实现

list 的迭代器与 vector 不同，它不是原生指针，而是将节点的指针进行封装，然后重载operator*，operator++,operator-- 等与指针相关的操作符来模拟指针的行为。

3.1 普通迭代器

template<class T>
struct ListNode
{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;ListNode(const T& x = T()) // ListNode的构造函数:_next(nullptr), _prev(nullptr), _data(x){}
};template<class T>
struct _list_iterator	// 链表迭代器
{typedef ListNode<T> Node;typedef _list_iterator<T> self;Node* _node;	//存放一个节点的指针变量_list_iterator(Node* node):_node(node){}//++itself& operator++() {_node = _node->_next;return *this;}//it++self operator++(int) {self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}//--itself& operator--() {_node = _node->_prev;return *this;}//it--self operator--(int) {self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}// 模仿指针的 *T& operator*() {return _node->_data;}// 模仿指针的 ->T* operator->() {return &_node->_data;}bool operator != (const self& s) {return _node != s._node;}bool operator == (const self& s) {return _node == s._node;}
};

注意：operator-> 在调用时，后面还会有一个->，相当于 it.operator->()->_a1 ，只不过特殊处理被省略掉了

struct AA
{int _a1;int _a2;AA(int a1 = 1, int a2 = 1):_a1(a1), _a2(a2){}
};void test_list3() {list<AA> It;AA aa1;It.push_back(aa1);It.push_back(AA());AA aa2(2, 2);It.push_back(aa2);It.push_back(AA(2, 2));list<AA>::iterator it = It.begin();while (it != It.end()) {cout << (*it)._a1 << ":" << (*it)._a2 << endl;cout << it.operator*()._a1 << ":" << it.operator*()._a2 << endl;cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl; //为了可读性，简化了一个->,特殊处理cout << it.operator->()->_a1 << ":" << it.operator->()->_a2 << endl; //相当于上面一行的++it;}cout << endl;
}

其实 it->_a1是it->_node->_a1，只是编译器对其进行了简化。

3.2 const迭代器

const类型的对象只能使用const类型的迭代器，那么const类型的迭代器如何实现呢、需要再重新封装吗，像上面那样？为了减少代码量，我们只需要给模板增加两个参数就可以了。template<class T, class Ref, class Ptr>。实现如下：

	template<class T, class Ref, class Ptr>struct _list_iterator	// 链表迭代器{typedef ListNode<T> Node;typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self;Node* _node;	//存放一个节点的指针变量_list_iterator(Node* node):_node(node){}//++itself& operator++() {_node = _node->_next;return *this;}//it++self operator++(int) {self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}//--itself& operator--() {_node = _node->_prev;return *this;}//it--self operator--(int) {self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}// 模仿指针的 *Ref operator*() {return _node->_data;}// 模仿指针的 ->Ptr operator->() {return &_node->_data;}bool operator != (const self& s) {return _node != s._node;}bool operator == (const self& s) {return _node == s._node;}};

const 迭代器与普通迭代器只是在operator*() 和 operator->（）的返回值上有所不同所以，只需要在实例化模板的时候给不同的参数就可以实例化不同的内容。

typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;	// 迭代器的重定义
typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator; // const迭代器的重定义

4. 插入和删除

// vector insert会导致迭代器失效
// list intert 不会导致迭代器失效
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{Node* newnode = new Node(x);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;newnode->_prev = prev;prev->_next = newnode;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;//return iterator(newnode); //单参数的构造函数可以隐式类型转换return newnode;		// 返回插入节点迭代器
}// 节点被delete掉了，存在迭代器失效
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;return next;	//返回被删除元素元素的下一个元素的迭代器
}void push_back(const T& x) {//Node* newnode = new Node(x);//Node* tail = _head->_prev;//tail->_next = newnode;//newnode->_prev = tail;//_head->_prev = newnode;//newnode->_next = _head;insert(end(), x);	// 复用insert
}void push_front(const T& x) {insert(begin(), x);
}void pop_back() {erase(--end());
}void pop_front() {erase(begin());
}

5. 测试代码

namespace hd 
{void test_list(){list<int> It;It.push_back(1);It.push_back(2);It.push_back(3);It.push_back(4);It.push_back(5);It.push_back(6);list<int>::iterator it = It.begin();while (it != It.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;for (auto e : It) {cout << e << " ";}cout << endl;list<int> It1 = It;list<int>::iterator it1 = It1.begin();while (it1 != It1.end()){cout << *it1 << " ";++it1;}cout << endl;for (auto e : It1) {cout << e << " ";}cout << endl;}void print_list(const list<int>& It) {list<int>::const_iterator it = It.begin();while (it != It.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;for (auto e : It) {cout << e << " ";}cout << endl;}void test_list2() {list<int> It;It.push_back(1);It.push_back(2);It.push_back(3);It.push_back(4);It.push_back(5);It.push_back(6);print_list(It);}struct AA{int _a1;int _a2;AA(int a1 = 1, int a2 = 1):_a1(a1), _a2(a2){}};void test_list3() {list<AA> It;AA aa1;It.push_back(aa1);It.push_back(AA());AA aa2(2, 2);It.push_back(aa2);It.push_back(AA(2, 2));list<AA>::iterator it = It.begin();while (it != It.end()) {cout << (*it)._a1 << ":" << (*it)._a2 << endl;cout << it.operator*()._a1 << ":" << it.operator*()._a2 << endl;cout << it->_a1 << ":" << it->_a2 << endl; //为了可读性，简化了一个->,特殊处理cout << it.operator->()->_a1 << ":" << it.operator->()->_a2 << endl; //相当于上面一行的++it;}cout << endl;}
}

总结

文章详细介绍了 C++ STL 中 List 的实现。List 是一个带头双向链表，适用于频繁插入和删除操作。构造函数、析构函数、拷贝构造函数、operator= 的重载、迭代器的实现以及插入和删除操作的具体实现方式。通过这些内容，可以深入了解 List 的内部工作原理，并学习如何使用和优化 List 数据结构。

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