【C++初阶】list的模拟实现附源码

news/2024/4/30 3:30:04/文章来源:https://blog.csdn.net/m0_73868817/article/details/131786670

一.list介绍

list底层是一个双向带头循环链表，这个我们以前用C语言模拟实现过，->双向带头循环链表

下面是list的文档介绍： list文档介绍

我们会根据 list 的文档来模拟实现 list 的增删查改及其它接口。

二.list模拟实现思路

既然是用C++模拟实现的，那么一定要封装在类里。

为了适合各种类型的数据，会使用模板。

节点 Node

了解双向循环带头链表的都知道，我们需要一个节点（Node），之前用C语言实现的时候，我们写了一个叫做 BuynewNode 的函数来获取节点，而在C++里我们用类封装一个，注意这个用 struct 封装比较好，因为 struct 默认是公有的，这样方便我们访问，所以可以写一个类：

struct list_node

迭代器 iterator

我们知道，C++提供了一种统一的方式来访问容器，这就是迭代器，string 和 vector 的迭代器模拟实现很简单，因为 string 和 vector 底层是用数组实现的，数组是一段连续的物理空间，支持随机访问，所以它是天然的迭代器；

但是链表不一样，它不是一段连续的物理空间，不支持随机访问，所以想让 list 的迭代器在表面上和 string，vector 的迭代器用起来没有区别，我们在底层上就需要用类封装迭代器，然后再迭代器类的内部，重载 ++ -- * -> != == 这些迭代器会用到的运算符；

所以创建一个迭代器类：

struct list_iterator

const 迭代器 const_iterator

实现的普通的迭代器，还有 const 迭代器，const 迭代器的意思是让指针指向的内容不变，而指针本身可以改变，例如指针++，指针-- 这种操作，所以 const 迭代器与普通迭代器的不同只有重载 * 运算符的返回值不同，它是 const T& （T是模板参数），重写一个const 迭代器类又显得太冗余，代码的可读性就降低了；

前面在学习模板时，我们知道不同的模板参数，编译器会生成不同的函数，所以我们选择加一个模板参数：Ref 。这样只要在显示实例化模板参数时：

普通迭代器就传 T&；

const 迭代器就传 const T&；

-> 运算符重载

看下面这段代码：

using namespace std;struct A
{A(int a1,int a2):_a1(a1),_a2(a2){}int _a1;int _a2;
};void test_list()
{list<A> lt;   //实例化自定义类型lt.push_back(A(1, 1));lt.push_back(A(2, 2));lt.push_back(A(3, 3));lt.push_back(A(4, 4));list<A>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;  //像指针一样访问自定义类型里的成员变量it++;}	
}int main()
{test_list();return 0;
}

有时候，实例化的模板参数是自定义类型，我们想要像指针一样访问访问自定义类型力的成员变量，这样显得更通俗易懂，所以就要重载 -> 运算符，它的返回值是 T* ，但是正常来说这里应该是这样访问的： it -> -> _a1

因为迭代器指向的是整个自定义类型，要想再访问其内部成员应该再使用一次 -> （这个->就不是重载的 -> ，就是普通的 -> ），但是上面的代码为什么就写了一个 -> ，这个是C++语法把这里特殊化了。

那该怎么在迭代器类里重载 -> 运算符呢？

和const 迭代器一样，只需要再加一个模板参数：Ptr

显示实例化的时候传 T* 就行了。

迭代器类模拟实现源码： struct list_iterator

以上的都算 list 模拟实现的难点，其他的像重载 ++ 什么的，对于学过数据结构的小伙伴们是非常简单的，就不赘述了，没学过的可以看看这篇文章：双向带头循环链表

template<class T,class Ref,class Ptr>   //三个模板参数struct list_iterator   //封装迭代器{typedef list_node<T> Node;  //重命名节点typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> self;  //重命名迭代器类型Node* _node;list_iterator(Node*node)   //构造函数，单参数的构造函数支持隐式类型转换:_node(node){}//重载 * ++ -- != == ->Ref operator*() const{return _node->_val;}Ptr operator->() const{return &_node->_val;}self& operator++()   //前置++{_node = _node->_next;return *this;}self operator++(int)  //后置++{self tmp = *this;_node = _node->_next;return tmp;}self& operator--()   //前置--{_node = _node->_prev;return *this;}self operator--(int)  //后置--{self tmp = *this;_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const self& lt) const{return _node != lt._node;}bool operator==(const self& lt) const{return _node == lt._node;}};

list

我们在用C语言实现双向带头循环链表时，会先初始化链表的头（head），即让它的前驱指针（prev）和后继指针（next）都指向自己；

在C++的模拟实现 list 中，我们会创建一个类 list 来管理链表的节点并实现增删查改及其它接口，所以 list 的构建函数就是初始化头（head）节点。

三.源码

list.h

我们可以模拟实现以上接口，具体函数的逻辑可以查阅文档，实现起来都是很简单的。

namespace nagi   //把模拟实现list的类都放在一个命名空间里封装起来
{template<class T>struct list_node   //创建节点{list_node<T>* _prev;list_node<T>* _next;T _val;list_node(const T& val = T())  //构造函数，初始化节点:_prev(nullptr),_next(nullptr),_val(val){}};template<class T,class Ref,class Ptr>   //三个模板参数struct list_iterator   //封装迭代器{typedef list_node<T> Node;typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> self;Node* _node;list_iterator(Node*node)   //构造函数，单参数的构造函数支持隐式类型转换:_node(node){}//重载 * ++ -- != == ->Ref operator*() const{return _node->_val;}Ptr operator->() const{return &_node->_val;}self& operator++()   //前置++{_node = _node->_next;return *this;}self operator++(int)  //后置++{self tmp = *this;_node = _node->_next;return tmp;}self& operator--()   //前置--{_node = _node->_prev;return *this;}self operator--(int)  //后置--{self tmp = *this;_node = _node->_prev;return tmp;}bool operator!=(const self& lt) const{return _node != lt._node;}bool operator==(const self& lt) const{return _node == lt._node;}};template<class T>class list{typedef list_node<T> Node;public:typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;  //重命名普通迭代器typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;  //重命名const迭代器void empty_init()  //因为构造函数和拷贝构造都会初始化头节点，所以就写成一个函数了{_head = new Node;_head->_prev = _head;_head->_next = _head;_sz = 0;}list()  //构造函数{empty_init();}//普通迭代器iterator begin(){return _head->_next;}iterator end(){return _head;}//const迭代器const_iterator begin() const{return _head->_next;}const_iterator end() const{return _head;}iterator insert(iterator pos, const T& x)  //在pos之前插入{Node* newnode = new Node(x);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;_sz++;return newnode;}iterator erase(iterator pos)   //删除pos位置，注意删除的时候不能把头节点也删了，所以要做pos检查{assert(pos != end());Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;_sz--;return next;   //库里规定返回删除节点的下一个节点}void push_back(const T& x)  //尾插{insert(end(), x);}void push_front(const T& x)  //头插{insert(begin(), x);}void pop_back()  //尾删{erase(--end());}void pop_front()  //头删{erase(begin());}void clear()  //清楚除了头节点以外的所有节点{iterator it = begin();while (it != end()){it=erase(it);}_sz = 0;}~list()  //析构函数{clear();delete _head;_head = nullptr;}list(const list<T>& lt)   //拷贝构造{empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}}void swap(list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_sz, lt._sz);}list<T>& operator=(list<T> lt)  //赋值重载{swap(lt);return *this;}private:Node* _head;  //头节点size_t _sz;   //记录链表的长度};}