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利用C++模拟实现STL容器:list

2022-12-06 15:31:31 作者：蒋灵瑜的笔记本

列表是一种顺序容器，它允许在序列中的任何位置执行常量时间插入和删除操作，并允许在两个方向上进行迭代。本文将利用C++模拟实现list，希望对大家有所帮助

一、list的介绍

列表是一种顺序容器，它允许在序列中的任何位置执行常量时间插入和删除操作，并允许在两个方向上进行迭代。

它的底层是一个带头双向循环链表。附一篇博主用C语言写的带头双向循环链表：【数据结构】带头双向循环链表的实现

二、list的排序

list不能用算法库的sort进行排序。算法库中的sort的底层是一个快排，需满足三数取中，需要传入随机访问迭代器，所以list并不适用。

当然list中提供了一个自己的sort，它的底层是一个归并排序。但是这个sort比vector使用算法库的sort还慢，甚至比list的数据先push_back到vector到再用算法库的sort还要慢。

三、迭代器

1、list的迭代器失效问题

insert，迭代器不失效

earse失效

2、迭代器的功能分类

1、单向迭代器：只能++，不能--。例如单链表，哈希表；

2、双向迭代器：既能++也能--。例如双向链表；

3、随机访问迭代器：能++--，也能+和-。例如vector和string。

迭代器是内嵌类型（内部类或定义在类里）

3、list迭代器的模拟实现

普通迭代器

迭代器的实现需要支持解引用（为了取数据），支持++--。

博主模拟实现string和vector时，直接将原生指针typedef成迭代器，是因为数组的结构正好满足迭代器的行为（注：string和vector可以用原生指针实现，但是vs中采用自定义类型封装的方式实现），但是list中的节点地址是不连续的，不能使用原生指针，需要使用类进行封装+运算符重载实现。

//用类封装迭代器
template <class T>
struct __list_iterator
{
    typedef list_node<T> node;
    //用节点的指针进行构造
    __list_iterator(node* p)
        :_pnode(p)
    {}
    //迭代器运算符的重载
    T& operator*()
    {
        return _pnode->_data;
    }
    __list_iterator<T>& operator++()//返回值不要写成node* operator++()，因为迭代器++肯定返回迭代器啊，你返回节点指针类型不对
    { 
        //return _pnode->_next;
        _pnode=_pnode->_next;
        return *this;//返回的是迭代器
    }
    bool operator!=(const __list_iterator<T>& it)
    {
        return _pnode != it._pnode;
    }
public:
    node* _pnode;//封装一个节点的指针
};

const迭代器

const迭代器的错误写法：

typedef __list_iterator<T> iterator;
const list<T>::iterator it=lt.begin();

因为typedef后，const修饰的是迭代器it，只能调用operator*(),调不了operator++()。（重载operator++()为const operator++()也不行,因为const版本++还是改变不了）

正确写法：想实现const迭代器，不能在同一个类里面动脑筋，需要再写一个const版本迭代器的类。

//用类封装const迭代器
template <class T>
struct __list_const_iterator
{
    typedef list_node<T> node;
    //用节点的指针进行构造
    __list_const_iterator(node* p)
        :_pnode(p)
    {}
    //迭代器运算符的重载
    const T& operator*()const
    {
        return _pnode->_data;
    }
    __list_const_iterator<T>& operator++()//返回值不要写成node*，因为迭代器++肯定返回迭代器啊，你返回节点指针类型不对
    {
        //return _pnode->_next;//返回类型错误的
        _pnode = _pnode->_next;
        return *this;//返回的是迭代器
    }
    __list_const_iterator<T>& operator--()
    {
        _pnode = _pnode->_prev;
        return *this;
    }
    bool operator!=(const __list_const_iterator<T>& it)const
    {
        return _pnode != it._pnode;
    }
public:
    node* _pnode;//封装一个节点的指针
};
 
typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;

当然，这样写__list_iterator和__list_const_iterator这两个类会出现代码重复。STL库中是通过类模板多给一个参数来实现，这样，同一份类模板就可以生成两种不同的类型的迭代器（以下为仿STL库的模拟实现）：

//用类封装普通/const迭代器
template <class T,class Ref>
struct __list_iterator
{
    typedef list_node<T> node;
    typedef __list_iterator<T,Ref> Self;
    //用节点的指针进行构造
    __list_iterator(node* p)
        :_pnode(p)
    {}
    //迭代器运算符的重载
    Ref operator*()
    {
        return _pnode->_data;
    }
    Self& operator++()//返回值不要写成node*，因为迭代器++肯定返回迭代器啊，你返回节点指针类型不对
    { 
        //return _pnode->_next;//返回类型错误的
        _pnode=_pnode->_next;
        return *this;//返回的是迭代器
    }
    Self& operator--()
    {
        _pnode = _pnode->_prev;
        return *this;
    }
    bool operator!=(const Self& it)
    {
        return _pnode != it._pnode;
    }
public:
    node* _pnode;//封装一个节点的指针
};
 
typedef __list_iterator<T, T&> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&> const_iterator;

4、迭代器价值

1、封装底层实现，不暴露底层实现的细节；

2、多种容器提供统一的访问方式，降低使用成本；

C语言没有运算符重载和引用等语法，是实现不了迭代器的。

5、迭代器operator->的重载

迭代器的用法就是模拟指针的行为，如果现在有一个指向结构的指针，那么就需要用到->来解引用。

//*的重载：返回节点的数据
Ref operator*()
{
    return _pnode->_data;
}
//->的重载：返回数据的指针
T* operator->()
{
    return &_pnode->_data;
}

但是operator->使用T*做返回值类型，这样无论是普通迭代器和const迭代器都能修改，所以operator->的返回值类型应该改为泛型：

template <class T, class Ref,class Ptr>
Ptr operator->()
{
    return &_pnode->_data;
}
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;

四、模拟实现时遇到的困惑及注意点

1、调用拷贝构造时，链表内节点数据为什么已经是深拷贝了？

2、类名和类型的区别

普通类：类名等于类型

类模板：类名不等价于类型，例如list类模板类名是list,类型list<int>等。

所以我们平常写函数形参和返回值时，总会带上形参和返回值的类型：

// 赋值运算符重载写法2(赋值运算符重载都可以这么干)
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
    swap(lt);
    return *this;
}

但是C++在类模板里面可以用类名代替类型：

// 赋值运算符重载写法2(赋值运算符重载都可以这么干)
list& operator=(list lt)
{
    swap(lt);
    return *this;
}

建议写代码的时候严格区分类型和类名，让自己和别人能够看的很明白。（了解下C++有这种坑语法即可）

五、vector和list的优缺点

vector和list像左右手一样，是互补关系，缺一不可。vector的优点正是list的缺点，list的优点也是vector的缺点，实际选用容器时，按照需求择优选用。

1、vector

vector的优点（结构厉害）：

1、支持下标的随机访问；

2、尾插尾删效率高（当然扩容的那一次尾插尾删会较慢）；

3、CPU高速缓存命中高（数据从缓存加载至CPU中，会加载连续的一段数据，vector因为结构连续，高速缓存命中高）。

vector的缺点：

1、非尾插尾删效率低；

2、扩容有消耗，并存在一定的空间浪费。

vector迭代器失效问题：

insert/erase均失效。（如果string的insert和erase形参是迭代器，那么也会失效，但是大部分接口是下标传参，不考虑失效问题，只有几个接口是迭代器传参，需要注意迭代器失效问题）

2、list

list的优点：

1、按需申请释放，无需扩容；

2、任意位置插入删除时间O(1)；（这里说的是插入删除，不要加上查找的时间）

list的缺点：

1、不支持下标的随机访问；

2、CPU高速缓存命中率低；

3、每一个节点除了存储数据外，还需要额外存储两个指针。

list迭代器失效问题：

insert不失效，erase失效。

六、模拟实现list整体代码

#pragma once
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <assert.h>
#include <vector>
using std::cout;
using std::endl;
namespace jly
{
	//链表节点的类
	template <class T>
	struct list_node
	{
		list_node(const T& x = T())//给一个缺省值，变成默认构造函数
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _data(x)
		{}
 
		list_node* _next;
		list_node* _prev;
		T _data;
	};
	//用类封装普通/const迭代器
	template <class T, class Ref,class Ptr>
	struct __list_iterator
	{
		typedef list_node<T> node;
		typedef __list_iterator<T, Ref,Ptr> Self;
		//用节点的指针进行构造
		__list_iterator(node* p)
			:_pnode(p)
		{}
		//迭代器运算符的重载
		Ref operator*()
		{
			return _pnode->_data;
		}
		Ptr operator->()
		{
			return &_pnode->_data;
		}
		Self& operator++()//返回值不要写成node*，因为迭代器++肯定返回迭代器啊，你返回节点指针类型不对
		{
			//return _pnode->_next;//返回类型错误的
			_pnode = _pnode->_next;
			return *this;//返回的是迭代器
		}
		Self operator++(int)//后置++
		{
			_pnode = _pnode->_next;
			return Self(_pnode->_next);
		}
		Self& operator--()
		{
			_pnode = _pnode->_prev;
			return *this;
		}
		Self operator--(int)//后置--
		{
			_pnode = _pnode->_prev;
			return Self(_pnode->_prev);
		}
		bool operator!=(const Self& it)const
		{
			return _pnode != it._pnode;
		}
		bool operator==(const Self& it)const
		{
			return _pnode == it._pnode;
		}
	public:
		node* _pnode;//封装一个节点的指针
	};
	//用类封装const迭代器
	//template <class T>
	//struct __list_const_iterator
	//{
	//	typedef list_node<T> node;
	//	//用节点的指针进行构造
	//	__list_const_iterator(node* p)
	//		:_pnode(p)
	//	{}
	//	//迭代器运算符的重载
	//	const T& operator*()const
	//	{
	//		return _pnode->_data;
	//	}
	//	__list_const_iterator<T>& operator++()//返回值不要写成node*，因为迭代器++肯定返回迭代器啊，你返回节点指针类型不对
	//	{
	//		//return _pnode->_next;//返回类型错误的
	//		_pnode = _pnode->_next;
	//		return *this;//返回的是迭代器
	//	}
	//	__list_const_iterator<T>& operator--()
	//	{
	//		_pnode = _pnode->_prev;
	//		return *this;
	//	}
	//	bool operator!=(const __list_const_iterator<T>& it)const
	//	{
	//		return _pnode != it._pnode;
	//	}
	//public:
	//	node* _pnode;//封装一个节点的指针
	//};
 
	//链表类（控制哨兵位）
	template <class T>
	class list
	{
	public:
		typedef list_node<T> node;
		typedef __list_iterator<T, T&,T*> iterator;
		typedef __list_iterator<T, const T&,const T*> const_iterator;
		//typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;
		//构造函数
		void empty_initialize()//用于初始化哨兵位
		{
			_head = new node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
			_size = 0;
		}
		list()
		{
			empty_initialize();
		}
		template <class InputIterator>
		list(InputIterator first, InputIterator last)//迭代器区间构造
		{
			empty_initialize();
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}
		//析构函数
		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}
		//拷贝构造
		list(const list<T>& lt)
		{
			先初始化*this
			//empty_initialize();
			//for (const auto& e : lt)//取lt的数据给e
			//{
			//	push_back(e);
			//}
 
			//工具人写法
			list<T> tmp(lt.begin(),lt.end());
			empty_initialize();
			swap(tmp);
		}
		void swap(list<T>& lt)
		{
			std::swap(_head, lt._head);//交换头指针
			std::swap(_size,lt._size);
		}
		赋值运算符重载写法1
		//list<T>& operator=(const list<T>& lt)
		//{
		//	//防止自己给自己赋值
		//	if (this != &lt)
		//	{
		//		clear();
		//		for (const auto& e : lt)
		//		{
		//			push_back(e);
		//		}
		//	}
		//	return *this;
		//}
		// 赋值运算符重载写法2(赋值运算符重载都可以这么干)
		list<T>& operator=(list<T> lt)
		{
			swap(lt);//直接交换
			return *this;
		}
		//插入删除
		void push_back(const T& x)
		{
			/*node* newNode = new node(x);
			node* tail = _head->_prev;
			newNode->_prev = tail;
			newNode->_next = _head;
			tail->_next = newNode;
			_head->_prev = newNode;*/
			insert(end(), x);
		}
		void pop_back()
		{
			erase(--end());
		}
		void push_front(const T& x)//头插
		{
			insert(begin(), x);
		}
		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}
		iterator insert(iterator pos, const T& x)
		{
			node* newNode = new node(x);
			node* prev = pos._pnode->_prev;
			node* cur = pos._pnode;
			newNode->_prev = prev;
			newNode->_next = cur;
			prev->_next = newNode;
			cur->_prev = newNode;
			//return iterator(newNode);
			pos._pnode = newNode;
			++_size;
			return pos;
		}
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(!empty());
			node* prev = pos._pnode->_prev;
			node* next = pos._pnode->_next;
			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			delete pos._pnode;
			--_size;
			//return iterator(next);
			pos._pnode = next;
			return pos;
		}
		//链表小接口
		bool empty()const
		{
			return _head->_next == _head;
		}
		void clear()
		{
			/*assert(!empty);
			node* cur = _head->_next;
			while (cur != _head)
			{
				node* next = cur->_next;
				delete cur;
				cur = next;
			}*/
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);//erase返回删除元素的下一个
			}
		}
		size_t size()const
		{
			return _size;
		}
		//普通begin(),end()迭代器
		iterator begin()
		{
			//return iterator(_head->_next);
			return __list_iterator<T, T&,T*>(_head->_next);
		}
		iterator end()
		{
			return __list_iterator<T, T&,T*>(_head);
		}
		//const begin(),end()迭代器
		const_iterator begin()const
		{
			//return const_iterator(_head->_next);
			return __list_iterator<T, const T&,const T*>(_head->_next);
		}
		const_iterator end()const
		{
			return __list_iterator<T, const T&,const T*>(_head);
		}
	private:
		node* _head;//哨兵位
		size_t _size;//用于统计节点个数，空间换时间
		//不加这个私有变量，统计节点个数时间O(N),有这个私有变量，时间O(1),但是每个节点的体积变大
	};
 
 
	//测试函数
	struct Pos
	{
		int _row;
		int _col;
 
		Pos(int row = 0, int col = 0)
			:_row(row)
			, _col(col)
		{}
	};
	void test()
	{
		list<Pos> i;
		i.push_back(Pos(1, 2));
		i.push_back(Pos(2, 5));
		i.push_back(Pos(4, 3));
		list<Pos>::iterator it = i.begin();
		while (it != i.end())
		{
			cout << (&( * it))->_row;//*it取数据，再取地址、解引用得到_row,多此一举
			cout << it->_row;//同第三种写法，编译器为了可读性，省略了一个->
			cout << it.operator->()->_row;//it.operator->()是显示调用，->_row是解引用得到_row
			it++;
		}
	}
	void test1()
	{
		list<std::vector<int>> i;
		std::vector<int> v1(1, 2);
		std::vector<int> v2(2, 4);
		std::vector<int> v3(3, 5);
		i.push_back(v1);
		i.push_back(v2);
		i.push_back(v3);
		list<std::vector<int>> m(i);
		i = m;
		cout << m.size();
	}
}

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