【C++】list类：模拟实现（适合新手的手撕list）

2024-09-07 03:20
文章标签 c++ 实现 模拟 新手 list 适合

本文主要是介绍【C++】list类：模拟实现（适合新手的手撕list），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

提示：在开始模拟实现list前，最好先熟悉下list相关接口：

【C++】容器list常用接口详解-CSDN博客icon-default.png?t=N7T8https://blog.csdn.net/2301_80555259/article/details/141756824?spm=1001.2014.3001.5501

目录

一.基本结构

 二.构造函数

三.析构函数

四.迭代器的实现

 五.const迭代器

六.修改操作

七.list和vector对比

一.基本结构

list类是一个带头双向循环链表，因此在定义list类前，先要定义节点类
节点类中的成员都是要面向外部访问的，因此都应该设置为public类，所以干脆这里直接定义为struct（成员都是public的class类）

template<class T>
struct list_node
{T _data;list_node* _prev;list_node* _next;list_node(const T& x = T()):_data(x),_prev(nullptr),_next(nullptr){}
};

在list类中，由于链表都是些链接关系，所以list类中只需要定义一个头结点head即可，当然此处为了方便后续操作，加入了size

list类的基本框架 

template<class T>
class list
{//简化下list_nodetypedef list_node node;
public://各种函数private:node* _head;//头结点size_t _size;//有效数据个数
};

 二.构造函数

如何初始化head?头结点一开始prev和next都是指向本身的

 因此，无参构造能很轻易地写出来

//无参构造
list()
{_head = new node;_head->_prev = _head;_head->_next = _head;_size = 0;
}//当然更这样写更好
//创建并初始化哨兵卫头结点，方便给构造和拷贝复用
void emptyinit()
{head = new node;_head->_prev = _head;_head->_next = _head;_size = 0;
}//无参构造
list()
{emptyinit();
}

无参的构造写好以后，接下来就可以仿照STL库中的带参构造，写一个用迭代器区间初始化的构造函数：

//迭代器区间构造
template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{emptyinit();while (first != last){push_back(*first);++first;}
}

 拷贝构造有很多写法，这里给出两种写法：

//直接拷贝构造
list(const list& x)
{empty_init();for (auto e : x){push_back(e);}
}
//利用临时对象拷贝构造
list(const list& x)
{emptyinit();//利用迭代器区间构造出一个临时对象tmplist tmp(x.begin(), x.end());std::swap(_head, tmp._head);std::swap(_size, tmp._size);
}

利用临时对象来进行拷贝构造实际上是一种精妙的方法，它先定义了一个临时变量tmp，利用迭代器区间构造深拷贝了x的所有值，随后将新创建节点的_head以及_size跟tmp交换即可，同时，出了作用域以后tmp作为临时对象就会销毁，调用析构函数，由于此时已经交换了，那么此时实际实在销毁原先新节点的内存。

三.析构函数

在实现析构函数前，可以先实现下clear函数，析构函数实际可以复用clear

//清空出了头节点外的数据
void clear()
{iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);//erase会返回下一个节点的迭代器}_size = 0;
}
//清理头节点
~list()
{clear();delete _head;_head = nullptr;
}

四.迭代器的实现

之前模拟vector和string的时候，两者底层都是连续的，想要得到下一个数据直接++即可，想要得到数据直接*解引用即可


然而这对于list是不行的，因为它底层不连续，此时就需要我们重载各种运算符了，但由于其底层仍然是一个指针（内置类型，不能重载），因此我们就将其封装进一个类来重载

template<class T>
struct list_iterator
{//这里要加<T>typedef list_node<T> node;typedef list_iterator iterator;//成员变量node* _node;//成员函数
};

1.构造函数

//构造函数
list_iterator(node* node):_node(node)
{}

2. 前置++/--和后置++/--

//前置++
iterator operator++()
{_node = _node->_next;return *this;
}
//后置++
iterator operator++(int)
{iterator tmp = *this;_node = _node->_next;return tmp;
}
//前置--
iterator operator--()
{_node = _node->_prev;return *this;
}
//后置--
iterator operator--(int)
{iterator tmp = *this;_node = _node->_prev;return tmp;
}

3.等于和不等于

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

4.解引用和箭头操作

迭代器的使用都是相同的，与指针相同，所以解引用迭代器得到的应该是节点数据。此外，当list存储的类型是结构体时，还应该支持->箭头操作。

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

指的注意的是，本来使用该迭代器需要用第一个->来找到data(当储存结构体类型时），然后再使用一个->才能查找到结构体内部的数据，但编译器为了代码的可读性，帮助我们省略了一个箭头，只需要一个箭头就可以访问数据了

做完这些后就可以将迭代器映射到list类当中了，在list类中复用迭代器类

typedef list_iterator iterator;
iterator begin()
{//使用匿名对象return iterator(_head->next);
}
iterator end()
{return iterator(_head);
}

 五.const迭代器

const迭代器和普通迭代器的区别是什么？const迭代器是为const对象准备的，const对象进行了限制，不能修改对象里的数据，那么，什么操作会因此数据的改变呢？很明显是解引用操作和箭头->，它们一个返回值的引用（T&），一个返回的指针(T*)，都具备修改的可能,当然，begin()和end()也可能修改

大家第一时间想到的可能是再重写一个const迭代器的类，里面的实现和普通迭代器都一样，唯一不同的点在于赋值重载*和->时，返回的const修饰的值 

然而这样做就会显得很臃肿，代码重复度很高，仔细观察不同点，仅仅在于T*和T&,那么不妨在原先的迭代器模板中再加入两个模板参数，只有在编写这两个函数时用到这两个参数

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct list_iterator
{//...Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}
}

此时就能在list类中将普通迭代器和const迭代器区分开了，当使用const对象时 ，直接返回const迭代器，使用普通对象，就返回普通迭代器

template<class T>
class list
{//这里要加<T>typedef list_node<T> node;
public:typedef list_iterator<T,T&,T*> iterator;typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//...private:node* _head;size_t _size;
};
iterator begin()
{//使用匿名对象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);
}

六.修改操作

void push_back(const T& x)
{node* newnode = new node(x);node* tail = _head->_prev;tail->_next = newnode;_head->_prev = newnode;newnode->_prev = tail;newnode->_next = _head;++_size;
}iterator insert(iterator pos, const T& x)
{//pos是公开类，内部的_node可以用.访问node* prev = pos._node->_prev;node* next = pos._node;node* newnode = new node(x);newnode->_prev = prev;newnode->_next = next;prev->_next = newnode;next->_prev = newnode;++_size;return iterator(newnode);
}iterator erase(iterator pos)
{assert(pos != end());node* prev = pos._node->_prev;node* next = pos._node->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete pos._node;--_size;return iterator(next);
}//直接复用erase
void pop_back()
{erase(--end());
}
void pop_front()
{erase(begin());
}

七.list和vector对比

至此，list我们已经模拟完成，有没有加深一下对list的理解呢？在这里我们再对比一下list和vector的区别：

目录vectorlist
底层结构顺序表，物理空间连续带头双向循环链表，物理空间不连续
随机访问支持，效率为O(1)不支持，访问效率为O(N)
插入和删除任一位置插入删除效率低任一位置插入删除效率高
空间利用率连续空间，缓存利用率高不连续空间，容易造成内存碎片
迭代器原生的指针对原生指针的封装
迭代器失效插入和删除都会失效只有删除会失效
使用场景高效储存，支持随机访问有大量插入和删除操作，不关心随机访问

这篇关于【C++】list类：模拟实现（适合新手的手撕list）的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/1143912。

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