C++深入探究list的模擬實(shí)現(xiàn)

更新時(shí)間：2022年07月04日 08:38:14 作者：Hero?2021

list相較于vector來說會(huì)顯得復(fù)雜,它的好處是在任意位置插入,刪除都是一個(gè)O(1)的時(shí)間復(fù)雜度,本文主要介紹了C++中List的模擬實(shí)現(xiàn)，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

迭代器

正向迭代器類

我們之前所理解的是：迭代器理解為像指針一樣的東西，但是在list中有些不同

// 迭代器邏輯
while(it!=l.end())
{
	*it; // 解引用取數(shù)據(jù)
	++it;// 自加到達(dá)下一個(gè)位置
}

我們可以來觀察一下STL源碼中大佬是怎么封裝的：

我們可以看到，只有一個(gè)成員，那就是一個(gè)結(jié)點(diǎn)的指針node，link_type又是一個(gè)自定義類型的指針，我們?cè)愋偷闹羔樤趘ector或者string中是可以直接typedef成為迭代器的，但是list底層是雙鏈表，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并非連續(xù)的，所以直接*it或者++it是不能夠完成迭代器的任務(wù)的，但是C++中支持對(duì)于自定義類型的運(yùn)算符重載，我們可以對(duì)解引用和自加兩個(gè)運(yùn)算符重載。

++it：就是當(dāng)前指針存放下一個(gè)結(jié)點(diǎn)的地址

*it：解引用當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，取出值來

迭代器中，拷貝構(gòu)造、運(yùn)算符賦值重載、析構(gòu)都不需要自己實(shí)現(xiàn)，使用默認(rèn)生成的即可(即淺拷貝)，因?yàn)榈魇怯米远x類型的指針封裝的，訪問修改鏈表，節(jié)點(diǎn)屬于鏈表，不屬于迭代器，所以不用管它。

我們?cè)趥魅隿onst版本的list時(shí)，list是const對(duì)象，需要的是const_iterator，這里會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，不能將const的list的迭代器傳給普通迭代器。如下所示例子：

void print_list(const list<int>& lt)
{
	// lt.begin()是const迭代器（只可讀）
	// it是普通迭代器（可讀可寫）
	list<int>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
}

現(xiàn)在我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)一個(gè)const的迭代器呢？

意思就是只可以讀不能夠?qū)?。可?code>++，- -，*解引用，但是解引用時(shí)不能修改數(shù)據(jù)。

可以想到這種寫法：

const T& operator*()const
{
	return _node->_data;
}
T& operator*()
{
	return _node->_data;
}

但是并不是迭代器是const的，而是我們傳入的list容器是const版本的。

我們可以將寫一個(gè)const_iterator 的類版本，這樣普通迭代器和const迭代器就不是一個(gè)類型了，是兩個(gè)不同的類型了，這樣會(huì)造成代碼冗余。

template<class T>
struct __const_list_iterator
{
	//...
	// __list_iterator全部替換為__const_list_iterator
};

優(yōu)化：

增加一個(gè)模板參數(shù)class Ref

這樣第一個(gè)模板參數(shù)都是T，我們可以根據(jù)傳入的第二個(gè)參數(shù)來推出時(shí)T&還是const T&，本來我們是要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)類的，現(xiàn)在只需要增加一個(gè)模板參數(shù)即可，這里體現(xiàn)出了C++泛型的優(yōu)勢(shì)！

迭代器我們說，它是像指針一樣的東西，如果它是指向的一個(gè)結(jié)構(gòu)體，需要用它的成員變量，我們還需要重載->箭頭

struct Date {
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Date(int year = 0, int month = 0, int day = 0)
	//這里要給默認(rèn)參數(shù)，因?yàn)樾枰獦?gòu)建一個(gè)哨兵位頭結(jié)點(diǎn)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
};
void test_list2()
{
	list<Date> lt;
	lt.push_back(Date(2022, 1, 1));
	lt.push_back(Date(2022, 1, 2));
	lt.push_back(Date(2022, 1, 3));
	lt.push_back(Date(2022, 1, 4));
	// 現(xiàn)在來遍歷日期類
	list<Date>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << (*it)._year << "/" << (*it)._month << "/" << (*it)._day << endl;
		++it;
	}
	cout << endl;
}

這里的*解引用然后再去.，我們可以重載->，讓他可以去調(diào)用結(jié)構(gòu)體的成員，這樣更加快捷高效方便。

T* operator->()
{
	return &(_node->_data);
}

進(jìn)一步解釋：

*it調(diào)用operator*，返回一個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)象，對(duì)象再.操作，拿到數(shù)據(jù)

it->調(diào)用operator->，返回對(duì)象的指針，(這里返回的是原生指針)再通過->調(diào)用用結(jié)構(gòu)體成員，這里實(shí)際上應(yīng)該是it->->_year，但是這樣寫，可讀性很差，所以編譯器做了一個(gè)優(yōu)化，省略了一個(gè)->，所以所有的類型只要想要重載->，都會(huì)這樣優(yōu)化省略一個(gè)->

這里又會(huì)衍生出一個(gè)問題，那就是如果使用const_iterator，使用->也會(huì)修改數(shù)據(jù)，所以再增加一個(gè)模板參數(shù)

// 正向迭代器類
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
	typedef	ListNode<T> Node;
	typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;// 再次typedef，方便后續(xù)的修改
	Node* _node;
	__list_iterator(Node* x)// 迭代器的實(shí)質(zhì)，就是自定義類型的指針
		:_node(x)
	{}
	// ++it 返回++之后的引用對(duì)象
	self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}
	// it++ 返回++之前的對(duì)象
	self operator++(int)
	{
		self  tmp(this);
		_node = _node->_next;
		return tmp;
	}
	// --it 
	self& operator--()
	{
		_node = _node->_prev;
		return *this;
	}
	// it-- 
	self operator--(int)
	{
		self tmp(this);
		_node = _node->_prev;
		return tmp;
	}
	// 返回引用，可讀可寫
	Ref operator*()
	{
		return _node->_data;
	}
	// 返回對(duì)象的指針
	Ptr operator->()
	{
		return &(_node->_data);
	}
	bool operator!=(const self& it)const
	{
		return _node != it._node;
	}
	bool operator==(const self& it)const
	{
		return _node == it._node;
	}
};

反向迭代器類

實(shí)質(zhì)：對(duì)于正向迭代器的一種封裝

反向迭代器跟正想迭代器區(qū)別就是++，- -的方向是相反的

所以反向迭代器封裝正向迭代器即可，重載控制++，- -的方向

#pragma once
// reverse_iterator.h
namespace sjj 
{
	template <class Iterator, class Ref, class Ptr>
	class reverse_iterator
	{
		typedef reverse_iterator<Iterator,Ref,Ptr> self;
	public:
		reverse_iterator(Iterator it)
			:_it(it)
		{}
		// 比較巧妙，解引用取的是當(dāng)前位置的前一個(gè)位置的數(shù)據(jù)
		// operator*取前一個(gè)位置, 主要就是為了讓反向迭代器開始和結(jié)束跟正向迭代器對(duì)稱
		Ref operator *()
		{
			Iterator tmp = _it;
			return *--tmp;
		}
		Ptr operator->()
		{
			return &(operator*());
		}
		self& operator++()
		{
			--_it;
			return *this;
		}
		self operator++(int)
		{
			self tmp = *this;
			--_it;
			return tmp;
		}
		self& operator--()
		{
			++_it;
			return *this;
		}
		self operator--(int)
		{
			self tmp = *this;
			++_it;
			return tmp;
		}
		bool operator!=(const self& rit)
		{
			return _it != rit._it;
		}
		bool operator==(const self& rit)
		{
			return _it == rit._it;
		}
	private:
		Iterator _it;
	};
}

push_back尾插函數(shù)

void push_back(const T& x)
{
	// 先找尾記錄
	/*Node* tail = _head->_prev;
	Node* newnode = new Node(x);
	tail->_next = newnode;
	newnode->_prev = tail;
	_head->_prev = newnode;
	newnode->_next = _head;
	tail = tail->_next;*/
	// 復(fù)用insert函數(shù)
	insert(end(), x);
}

push_front頭插函數(shù)

// 頭插
void push_front(const T& x)
{
	// 復(fù)用insert函數(shù)
	insert(begin(), x);
}

insert插入函數(shù)

// 在pos位置前插入
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	Node* cur = pos._node;
	Node* prev = cur->_prev;
	Node* newnode = new Node(x);
	prev->_next = newnode;
	newnode->_prev = prev;
	newnode->_next = cur;
	cur->_prev = newnode;
	return iterator(newnode);// 返回新插入結(jié)點(diǎn)位置的迭代器
}

注意：這里list的insert函數(shù)，pos位置的迭代器不會(huì)失效，因?yàn)閜os指向的位置不會(huì)改變，vector中迭代器失效的原因是因?yàn)榕矂?dòng)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致指向的位置的數(shù)據(jù)發(fā)生變化。

erase刪除函數(shù)

iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos != end());//不能將哨兵位的頭結(jié)點(diǎn)給刪除了
	Node* prev = pos._node->_prev;
	Node* next = pos._node->_next;
	delete pos._node;
	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;
	return iterator(next);// 返回pos位置的下一個(gè)位置的迭代器
}

注意：這里的pos位置的迭代器一定會(huì)失效，因?yàn)槎家呀?jīng)將結(jié)點(diǎn)給刪除了。

pop_front函數(shù)

// 復(fù)用erase函數(shù)
void pop_front()
{
	erase(begin());
}

pop_back函數(shù)

// 復(fù)用erase函數(shù)
void pop_back()
{
	erase(--end());
}

構(gòu)造函數(shù)

list()
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
}
// 函數(shù)模板，用迭代器區(qū)間進(jìn)行初始化
template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		++first;
	}
}
list(size_t n, const T& val = T())
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
	{
		push_back(val);
	}
}

注意：

這兩個(gè)構(gòu)造函數(shù)一起使用可能會(huì)存在問題，填充版本和構(gòu)造器版本可能會(huì)存在沖突，如下例子：

struct Date {
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Date(int year = 0, int month = 0, int day = 0)//這里要給默認(rèn)參數(shù)，因?yàn)橛幸粋€(gè)哨兵位頭結(jié)點(diǎn)需要初始化
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
};
void test_list4()
{
	list<Date> lt1(5, Date(2022, 9, 9));
	for (auto e : lt1)
	{
		cout << e._year << "/" << e._month << "/" << e._day << endl;
	}
	cout << endl;

	list<int> lt2(5, 1);
	for (auto e : lt2)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

對(duì)于這兩個(gè)：在實(shí)例化時(shí)會(huì)調(diào)用更加匹配的構(gòu)造函數(shù)初始化

list lt1(5, Date(2022, 9, 9))它會(huì)正常調(diào)用list(size_t n, const T& val = T())

list lt2(5, 1)而它會(huì)將5和1推演成兩個(gè)int，進(jìn)而去匹配這個(gè)迭代器版本的構(gòu)造函數(shù)

template < class InputIterator> list(InputIterator first, InputIterator last)，但是與我們的本意，用n個(gè)val初始化原意相背，而其中有個(gè)*first，這里int去解引用必會(huì)報(bào)錯(cuò)

改進(jìn)：再多提供第一個(gè)參數(shù)是int重載版本的list(int n, const T& val = T())構(gòu)造函數(shù)

list(int n, const T& val = T())
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
	{
		push_back(val);
	}
}

析構(gòu)函數(shù)

~list()
{
	clear();
	// 析構(gòu)與clear不同，要將哨兵位頭結(jié)點(diǎn)給刪除了
	delete _head;
	_head = nullptr;
}

list拷貝構(gòu)造函數(shù)

淺拷貝會(huì)崩潰的原因是，同一塊空間被析構(gòu)了兩次，所以我們要完成深拷貝

傳統(tǒng)寫法

// 傳統(tǒng)寫法
// lt2(lt1)
list(const list<T>& lt)
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	for (auto e : lt)
	{
		push_back(e);
	}
}

注意：因?yàn)橐{(diào)用push_back函數(shù)，push_back的前提是這個(gè)鏈表(lt2)已經(jīng)被初始化了，所以必須要先搞一個(gè)哨兵位頭結(jié)點(diǎn)，不然會(huì)崩潰

現(xiàn)代寫法

// 函數(shù)模板
template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		++first;
	}
}
// lt2(lt1)
list(const list<T>& lt)
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
	std::swap(_head, tmp._head);
}

注意：lt2需要一個(gè)哨兵位頭結(jié)點(diǎn)

list賦值重載函數(shù)

傳統(tǒng)寫法

// lt2=lt1
list<T>& operator=(const list<T>& lt)
{
	if (this != lt)
	{
		clear();		 // 將lt2清空
		for (auto e : lt)// 再將值全部拷貝過去
		{
			push_back(e);
		}
	}
	return *this;
}

現(xiàn)代寫法

// 現(xiàn)代寫法
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
	std::swap(_head, lt._head);
	return *this;
}

其他函數(shù)

// 清空
void clear()
{
	/*
	iterator it = begin();
	while (it!=end())
	{
		iterator del = it++;// 利用后置++，返回加加前的迭代器
		delete del._node;
	}
	// 最后剩下哨兵位頭結(jié)點(diǎn)
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	*/
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		erase(it++); // 也可以復(fù)用erase,it++返回加加之前的值
	}
}

到此這篇關(guān)于C++深入探究list的模擬實(shí)現(xiàn)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ list模擬實(shí)現(xiàn)內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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