STL：List从0到1
Jupiter· 2024-06-26 13:05:13 阅读 78
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🐵系列专栏：零基础学习C语言----- 数据结构的学习之路----C++的学习之路
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🎉文章简介：
🎉本篇文章将 介绍如何使用C++编写代码来实现一个类似于STL中的List容器 相关知识进行分享！
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一.前言
这篇文章将介绍如何使用C++编写代码来实现一个类似于STL中的List容器。 list是一个可以在常数范围内在任意位置进行插入和删除的序列式容器。在这篇文章中，你将学习并实现List的常见功能，如添加元素、删除元素等。通过实现自己的List容器，你将更好地熟悉List的使用及相关特性，并提升对C++语言的理解和掌握。
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二.List的介绍
List文档介绍链接: link
1. list是一个可以在常数范围内在任意位置进行插入和删除的序列式容器，并且该容器可以前后双向迭代；
2. list的底层是双向链表结构，双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中，在节点中通过指针指向其前一个元素和后一个元素；
3. list与forward_list非常相似：最主要的不同在于forward_list是单链表，只能朝前迭代，已让其更简单高效；
4. 与其他的序列式容器相比(array，vector，deque)，list通常在任意位置进行插入、移除元素的执行效率更好（不需要挪动数据）；
5. 与其他序列式容器相比，list和forward_list最大的缺陷是不支持任意位置的随机访问，比如：要访问list的第6个元素，必须从已知的位置(比如头部或者尾部)迭代到该位置，在这段位置上迭代需要线性的时间开销；list还需要一些额外的空间，以保存每个节点的相关联信息(对于存储类型较小元素的大list来说这可能是一个重要的因素)；
三.List的结构及模拟实现
一.底层结构
List底层是一个带头双向循环链表
如图：
库里面的begin() 与end() 返回的节点位置：
begin()返回的是头节点的下一个节点；
而end()返回的是头节点；
二.List的模拟实现
重点：：迭代器的实现
1. 构造函数
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode<T>(const T& x=T())
:_next(nullptr)
,_prev(nullptr)
,_val(x)
{
}
ListNode<T>* _next;
ListNode<T>* _prev;
T _val;
};
库里面的List类的构造函数是另写一个函数，因为这个函数拷贝构造会使用，然后复用它，所以我们也这样实现；
template<class T>
class List
{
public:
void empty_List()
{
_phead = new node;
_phead->_next = _phead;
_phead->_prev = _phead;
}
List()
{
empty_List();
}
}
2. 拷贝构造函数
List(const List<T>& lt)
{
empty_List(); //初始化
for (const auto& e : lt)
{
push_back(e); //将lt里面的数据依次尾插
}
}
3. 插入函数
思路：记录前一个和后一个节点，然后连接
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
node* newnode = new node(x); //构造一个节点
node* next = pos._node;
node* prev = next->_prev; //记录前一个
newnode->_next = next;
next->_prev = newnode; //链接
newnode->_prev = prev;
prev->_next = newnode;
return pos;
}
4. 尾插函数
复用insert函数
void push_back(const T& x)
{
/*node* newnode = new node(x);
node* tail = _phead->_prev;
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail; //不复用的写法
newnode->_next = _phead;
_phead->_prev = newnode;*/
insert(end(), x);
}
5. 头插函数
复用insert函数
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(),x);
}
6. 删除函数
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos!=end());
node* prev = pos._node->_prev; //保存前一个节点
node* next = pos._node->_next; //保存后一个节点
prev->_next = next; //连接
next->_prev = prev;
delete pos._node; //释放掉该节点
return next; //返回删除元素的下一个节点
}
7. 尾删函数
复用删除函数
void pop_back()
{
//erase(end()._node->_prev);
erase(--end()); //头节点的前指针指向的是最后一个节点
}
8. 头删函数
复用删除函数
void pop_front()
{
erase(begin());
}
9. 迭代器的实现
因为链表的底层物理空间不是连续的，所以不能使用原生指针类实现。因为原生指针++，可以找到下一个数据，但是链表的节点与节点之间不是连续的，指针++，不能找到下一个节点，所以我们需要操作符重载，改变 ++, != ,* 等操作符的行为；又因为节点指针是内置类型，不能进行操作符重载，所以我们只能将它进行封装，封装在一个类里面，进行重载；
template<class T,class Ref,class Ptr>
struct __List_iterator
{
typedef ListNode<T> node;
typedef __List_iterator<T,Ref,Ptr> self;
__List_iterator(node* node) //构造函数
:_node(node)
{ }
self& operator++() //运算符的重载
{
_node = _node->_next; //前置++，返回++后的值
return *this;
}
self operator++(int)
{
self tmp(_node); //保存++前的值
_node = _node->_next;
return tmp; //返回++前的值
}
self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
self operator--(int)
{
self tmp(_node);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
Ref operator*()
{
return _node->_val;
}
Ptr operator->
{
return &_node->-val;
}
bool operator!=(const self& s)
{
return s._node!= this->_node;
}
bool operator==(const self& s)
{
return s._node == this->_node;
}
node* _node;
};
10. 赋值运算符重载
传统写法：
void clear()
{
iterator lt = begin();
while (lt != end())
{
lt = erase(lt);
}
}
//lt1=lt2
List<T>& operator=(const List<T>& lt)
{
clear(); //清空函数，将链表中的有效数据删除掉，保留头节点
for (const auto& e : lt)
{
push_back(e); //依次尾插
}
return *this;
}
现代写法：
void swap(List<T>& lt)
{
std::swap(_phead, lt->_phead);
}
//lt1=lt2
List<T>& operator=(List<T> lt) //lt是lt2的拷贝构造
{
swap(lt); //交换lt与lt1
return *this; //返回
}
补充知识：
typedef 放在类里面与外面的区别：
如果是放在公有里面，则类外面也可以使用，但是要指定类域；
如果是私有的话，则类外面不能使用；
三.总代码：
#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
namespace L
{
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode<T>(const T& x=T())
:_next(nullptr)
,_prev(nullptr)
,_val(x)
{
}
ListNode<T>* _next;
ListNode<T>* _prev;
T _val;
};
template<class T,class Ref,class Ptr>
struct __List_iterator
{
typedef ListNode<T> node;
typedef __List_iterator<T,Ref,Ptr> self;
__List_iterator(node* node)
:_node(node)
{ }
self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
//self& operator++(int)//错误，
self operator++(int)
{
self tmp(_node);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
self operator--(int)
{
self tmp(_node);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
Ref operator*()
{
return _node->_val;
}
Ptr operator->()
{
return &_node->_val;
}
bool operator!=(const self& s)
{
return s._node!= this->_node;
}
bool operator==(const self& s)
{
return s._node == this->_node;
}
node* _node;
};
template<class T>
class List
{
public:
typedef ListNode<T> node;
typedef __List_iterator<T,T&,T*> iterator;
typedef __List_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;
iterator begin()
{
return iterator(_phead->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_phead);
}
const_iterator begin()const
{
return iterator(_phead->_next);
}
const_iterator end()const
{
return iterator(_phead);
}
void empty_List()
{
_phead = new node;
_phead->_next = _phead;
_phead->_prev = _phead;
}
List()
{
empty_List();
}
List(const List<T>& lt)
{
empty_List();
for (const auto& e : lt) //引用更好，如果T类型是自定义类型的话
{
push_back(e);
}
}
//lt1=lt2
List<T>& operator=(const List<T>& lt)
{
clear();
for (const auto& e : lt)
{
push_back(e);
}
return *this;
}
void swap(List<T>& lt)
{
std::swap(_phead, lt->_phead);
}
//lt1=lt2
List<T>& operator=(List<T> lt)
{
swap(lt);
return *this;
}
void clear()
{
iterator lt = begin();
while (lt != end())
{
lt = erase(lt);
}
}
~List()
{
clear();
delete _phead;
_phead = nullptr;
}
void push_back(const T& x)
{
/*node* newnode = new node(x);
node* tail = _phead->_prev;
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _phead;
_phead->_prev = newnode;*/
insert(end(), x);
}
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(),x);
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
node* newnode = new node(x);
node* next = pos._node;
node* prev = next->_prev;
newnode->_next = next;
next->_prev = newnode;
newnode->_prev = prev;
prev->_next = newnode;
return pos;
}
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;
return next;
}
void pop_back()
{
//erase(end()._node->_prev);
erase(--end());
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
private:
node* _phead;
};
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