【C++】---STL之list的模拟实现

【C++】---STL之list的模拟实现

  • 一、list模拟实现思路
  • 二、结点类的实现
  • 三、list迭代器的实现
    • 1、ListIterator类
    • 2、构造函数
    • 3、operator*运算符重载
    • 5、operator->运算符重载
    • 6、operator!=运算符重载
    • 7、operator==运算符重载
    • 8、前置++
    • 9、后置++
    • 10、前置--
    • 11、后置--
  • 四、list类的实现
    • 1、list类
    • 2、构造
    • 3、析构
    • 4、拷贝构造
    • 5、赋值运算符重载
      • (1)传统的赋值运算符重载
      • (2)现代的赋值运算符重载
    • 6、迭代器
    • 7、insert()
    • 8、erase()
    • 9、clear()
    • 10、push_front()
    • 11、push_back()
    • 12、pop_front()
    • 13、pop_back()
    • 14、empty()
    • 15、size()
  • 五、完整代码

一、list模拟实现思路

list的模拟实现比 string vector的模拟实现略微复杂一点:

(1)由于链表的每一个结点本身就是一个结构体,里面包括数据和指针,所以在接下来的模拟中,我们会将链表的每一个结点封装为一个类,也就是结点类。

(2)链表中数据的物理储存空间是不连续的,但是string和vector他们的数据储存物理空间是连续的。因此在访问链表的数据的时候,不能用原生的迭代器来进行访问,我们需要自己重载一个迭代器,自己封装一个迭代器的类。

在这里插入图片描述
list的模拟的大体思路:
在这里插入图片描述

二、结点类的实现

单个结点类的成员变量有三个:

(1)结点值:_val

(2)指向前一个结点的指针:_prev

(3)指向后一个结点的指针:_next

结点无需拷贝构造、赋值运算符重载,由于没有额外申请空间,因此也不需要析构

	// 1.单个的结点类:template<class T>struct Listnode{T _val;Listnode<T>* _next;Listnode<T>* _prev;// 构造:Listnode(const T& x = T()):_val(x), _next(nullptr), _prev(nullptr){}};

三、list迭代器的实现

1、ListIterator类

(1)我们为什么要对链表的迭代器进行一个单独的封装?

因为之前普通的迭代器++都是连续,可以直接进行访问数据。

但是链表不一样,物理空间连续所以说我要把这个迭代器进行一个类的封装,然后在里面对他运算符重载(例如:++)我们就可以掌控这个迭代器的行为!

当原生的迭代器或者运算符不合我们所需要的预期的话,就可以把它进行一个封装,我们自己来重载,达到我们所需要的预期

(2)迭代器有两种,一种是普通迭代器,一种是const的迭代器

为了不使代码冗余,我们就会将两个迭代器写在一起,用模板!

对于T&,类模板实例化出两个类,一个是T&类,一个是const T&类,同理,T*也一样。使用 :

template<class T,class Ref,class Ptr>// Ref==T&      Ptr==T*

类模板就会实例化出来两个类,一个是普通的、不带const的T,T&, T*,另一个是带const的T,const T&, const T*,其中Ref是引用,Ptr是指针,该类模板实例化了以下这两个类模板:

template class<T,T&,T*> iterator;
template class<const T, const T& ,const T*> const_iterator;

这样我们就解决了两个类的问题。

2、构造函数

template<class T,class Ref,class Ptr>struct ListIterator{typedef Listnode<T> Node;// 1.(这个是单个结点“类型”的重定义) 不管你是什么类型的结点 我都给你整成Node,因为Listnode<T>是一个结点模版!typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self; // 2.(这个是本迭代器指针“类型”的重定义)// 成员变量:Node* _node;// 构造:ListIterator(const Node* node):_node(node){}};

3、operator*运算符重载

// 重载*(*it)// Ref==T&Ref operator*()// 为什么要传引用返回呢?因为有的时候我们可能需要对it进行修改+1,-1等等。{return _node->_data;}

5、operator->运算符重载

// 重载->//Ptr==T*Ptr operator->(){

6、operator!=运算符重载

对于==和!=的重载的时候,我们一定要想清楚到底是对它里面节点的值来判断相不相等,还是说来判断指向这个结点的迭代器指针相不相等。很明显我们这里重载( = =)和(!=)通过判断结点的迭代器相等不相等来进行重载的。

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

7、operator==运算符重载

比较两个迭代器相等不相等的时候一定不能比较所指向节点中的值,万一所有的节点里面值相等都是一样,那你意思就是说:这里面的所有迭代器都是相等吗?不就扯淡吗?!所以说比较迭代器相不相等:就是比较两者是不是指向同一个结点(即:比较指针是否相等!)因为迭代器本质上是指针!

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

8、前置++

//前置++,(++it)Self& operator++()//因为++对内容进行了修改,所以要传引用返回!{_node = _node->_next;return *this;}

9、后置++

//后置++,(it++)Self operator++(int){Self tmp = *this;//因为后置++,要返回的是++之前的值,所以要先保存未++的值在tmp里面!_node = _node->_next;return tmp;}

10、前置–

//前置--,(--it)Self& operator--()//因为--对内容进行了修改,所以要传引用返回!{_node = _node->_prev;return *this;}

11、后置–

//后置--,(it)Self operator--(int){Self tmp = *this;//因为后置--,要返回的是--之前的值,所以要先保存未--的值在tmp里面!_node = _node->_prev;return tmp;}

四、list类的实现

1、list类

list的成员只需要一个头节点,然后通过迭代器来访问后面的其他元素即可。

2、构造

//1、构造:list(){_head = new Node;//会调ListNode的构造函数_head->_next = _head;//整个链表只有头节点,先构造一个没有实际节点的链表_head->_prev = _head;//整个链表只有头节点,先构造一个没有实际节点的链表}

3、析构

// 2、析构~list(){clear();delete[] _head;_head = nullptr;}

4、拷贝构造

		//特意写一个,初始化一个哨兵位void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}// 3、拷贝构造// lt2(lt1)list(const list<T> lt){empty_init();//先初始化一个头结点for (auto& e : lt)// 接下来在哨兵位后面 尾插 就可以实现拷贝构造!{push_back(e);}}// 需要析构,一般就需要自己写深拷贝// 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};

5、赋值运算符重载

(1)传统的赋值运算符重载

        //赋值运算符重载  lt1 = lt  传统写法list<T> operator=(const list<T>& lt){//链表已存在,只需将节点尾插进去即可if(this != lt){for (auto& e : lt){push_back(e);}}}

(2)现代的赋值运算符重载

//4、赋值运算符重载(深拷贝)// lt1=lt2list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return  *this;}void swap(list<T>& lt){std::(_head, lt._head);std::(_size, lt._size);}

6、迭代器

(1)普通迭代器:

iterator begin(){//iterator it = _head->_next;// 有名对象 //调用迭代器的构造函数创建一个迭代器it//return it;return iterator(_head->_next);// 匿名对象// return _head->_next; // 不能这样写,因为返回类型是迭代其指针,而你这样返回的是一个结点。}iterator end(){return iterator(_head);}

只要你有节点的指针,就可以构造迭代器:
下面这里就是构造了一个迭代器,因为它的返回类型是迭代器,你只要有节点的指针我就可以构造一个迭代器,只不过有两种情况是匿名对象,另外一种是有名对象:
在这里插入图片描述
(2)const迭代器:

		const_iterator begin() const{return const_iterator(_head->_next);//头节点不存数据}const_iterator end() const{return const_iterator(_head);//尾节点的下一个节点位置即头节点}

7、insert()

// 3.insertvoid insert(iterator pos, const T& val)//在pos位置之前插入val{//先用一个指针保存pos的位置!Node* cur = pos._node;//创建一个新的节点newnode来接受val的值Node* newnode = new Node(val);//再保存pos位置前一个方便newnode插入!Node* prev = cur->_prev;//prev newnode cur三者之间的交换newnode->_prev = prev;prev->_next = newnode;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;}

8、erase()

iterator erase(iterator pos){// 1、先保存pos位置的前后!Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;// 2、prev 和 next两者之间进行链接!prev->_next = next;next->_prev = prev;// 3、直接删除curdelete cur;// 4、因为是模拟原本库里面的erase函数,返回的就是要删除pos位置的下一个位置的迭代器。return iterator(next);}

9、clear()

	void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);//因为erase会返回要删除结点的下一个位置,所以要用iterator类型的it接受!}}

10、push_front()

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

11、push_back()

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

12、pop_front()

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

13、pop_back()

// 尾删void pop_back(){erase(--end());}

14、empty()

bool empty(){return (_head->_next == _head);}

15、size()

size_t size()const{size_t count = 0;Node* cur = _head;while (cur->_next != _head){cur = cur->_next;count++;}return count;}

五、完整代码

#pragma once
#include <assert.h>
#include<iostream>
using namespace std;namespace yjl
{template<class T>struct Listnode{Listnode<T>* _prev;Listnode<T>* _next;T  _data;//单个节点之间的内部构造Listnode(const T& x = T()):_prev(nullptr), _next(nullptr), _data(x){}};/// ///list迭代器的封装://template<class T>//struct ListIterator//{//	typedef Listnode<T> Node;// 1.(这个是单个结点“类型”的重定义) 不管你是什么类型的结点 我都给你整成Node,因为Listnode<T>是一个结点模版!//	typedef ListIterator<T> Self; // 2.(这个是本迭代器指针“类型”的重定义)//	Node* _node;//	//构造//	ListIterator(Node* node)//		:_node(node)//	{}//	// 重载*(*it)//	const T& operator*()// 为什么要传引用返回呢?因为有的时候我们可能需要对it进行修改+1,-1等等。//	{//		return _node->_data;//	}//	// 重载->//	const T* operator->()//	{//		return &_node->_data;//得到的是地址:T*//	}//	//前置++,(++it)//	Self& operator++()//因为++对内容进行了修改,所以要传引用返回!//	{//		_node = _node->_next;//		return *this;//	}//	//后置++,(it++)//	Self operator++(int)//	{//		Self tmp = *this;//因为后置++,要返回的是++之前的值,所以要先保存未++的值在tmp里面!//		_node = _node->_next;//		return tmp;//	}//	//前置--,(--it)//	Self& operator--()//因为--对内容进行了修改,所以要传引用返回!//	{//		_node = _node->_prev;//		return *this;//	}//	//后置--,(it)//	Self operator--(int)//	{//		Self tmp = *this;//因为后置--,要返回的是--之前的值,所以要先保存未--的值在tmp里面!//		_node = _node->_prev;//		return tmp;//	}//	bool operator!=(const Self& it)//	{//		return _node != it._node;//	}//	bool operator==(const Self& it)//	{//		return _node == it._node;//	}//};// typedef ListIterator<T,T&,T*> iterator;// typedef ListIterator<T,const T&,const T*>  const_iterator;//list迭代器的封装:template<class T,class Ref,class Ptr>// Ref==T&      Ptr==T*struct ListIterator{typedef Listnode<T> Node;// 1.(这个是单个结点“类型”的重定义) 不管你是什么类型的结点 我都给你整成Node,因为Listnode<T>是一个结点模版!typedef ListIterator<T,Ref,Ptr> Self; // 2.(这个是本迭代器指针“类型”的重定义)Node* _node;//构造ListIterator(Node* node):_node(node){}// 重载*(*it)// Ref==T&Ref operator*()// 为什么要传引用返回呢?因为有的时候我们可能需要对it进行修改+1,-1等等。{return _node->_data;}// 重载->//Ptr==T*Ptr operator->(){return &_node->_data;//得到的是地址:T*}//前置++,(++it)Self& operator++()//因为++对内容进行了修改,所以要传引用返回!{_node = _node->_next;return *this;}//后置++,(it++)Self operator++(int){Self tmp = *this;//因为后置++,要返回的是++之前的值,所以要先保存未++的值在tmp里面!_node = _node->_next;return tmp;}//前置--,(--it)Self& operator--()//因为--对内容进行了修改,所以要传引用返回!{_node = _node->_prev;return *this;}//后置--,(it)Self operator--(int){Self tmp = *this;//因为后置--,要返回的是--之前的值,所以要先保存未--的值在tmp里面!_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,T&,T*> iterator;typedef ListIterator<T, const T&,const T*> const_iterator;iterator begin(){//iterator it = _head->_next;// 有名对象 //调用迭代器的构造函数创建一个迭代器it//return it;return iterator(_head->_next);// 匿名对象// return _head->_next; // 不能这样写,因为返回类型是迭代其指针,而你这样返回的是一个结点。}iterator end(){return iterator(_head);}// 1.多个节点之间的构造:初始化一个哨兵位//特意写一个,初始化一个哨兵位void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}// 构造list(){empty_init();}// 拷贝构造函数// lt2(lt1)list(const list<T>& lt){empty_init();// 先构造一个哨兵位头结点for (auto& e : lt)// 接下来在哨兵位后面 尾插 就可以实现拷贝构造!{push_back(e);}}// 需要析构,一般就需要自己写深拷贝// 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//赋值运算符重载(深拷贝)// lt1=lt2list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}void swap(list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}// 析构~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}// 2.push_back() //void push_back(const T& x)//{//	Node* tmp = new Node(x);//	Node* tail = _head->_prev;// 因为要尾插,所以保存好尾节点!//	tail->_next = tmp;//	tmp->_prev = tail;//	tmp->_next = _head;//	_head->_prev = tmp;//}// 头插void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}// 尾插void push_back(const T& x){insert(end(), x);}// 头删void pop_front(){erase(begin());}// 尾删void pop_back(){erase(--end());}// 3.insertvoid insert(iterator pos, const T& val)//在pos位置之前插入val{//先用一个指针保存pos的位置!Node* cur = pos._node;//创建一个新的节点newnode来接受val的值Node* newnode = new Node(val);//再保存pos位置前一个方便newnode插入!Node* prev = cur->_prev;//prev newnode cur三者之间的交换newnode->_prev = prev;prev->_next = newnode;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;}iterator erase(iterator pos){Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;// 我们delete cur之后,原来的pos迭代器指针也就消失了,但是我们为什么必须要返回一个:迭代器指针?return iterator(next);// 因为删除的数据是有不确定性的,万一要删除偶数或者后面有其他的用途,我们没有原来pos的位置,我们如何再找到其他的数据呢?}void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);//因为erase会返回要删除结点的下一个位置,所以要用iterator类型的it接受!}}//size_t size()const//{//	size_t count = 0;//	while (_head->_next != _head)//	{//		_head = _head->_next;// 因为_head是不能被修改的!!!,所以要创建一个临时指针来指向_head//		count++;//	}//	return count;//}size_t size()const{size_t count = 0;Node* cur = _head;while (cur->_next != _head){cur = cur->_next;count++;}return count;}bool empty(){return (_head->_next == _head);}private:Node* _head;size_t _size;};

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