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✍🏻作者简介：目前学习C++和算法
✈️专栏：C++航路
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目录
- 一、简单剖析list源码
- 二、准备工作
- 三、模拟实现list常见操作
- 3.1 默认构造函数
- 3.2 push_back - 尾插
- 3.3 迭代器（重点）
- 3.4 const的迭代器（重点）
- 3.5 insert - 插入
- 3.6 erase - 删除
- 3.7 头插 - push_front
- 3.8 尾删 - pop_back
- 3.9 头删 - pop_front
- 3.10 个数 - size
- 3.11 析构
- 3.12 清空 - clear
- 3.13 拷贝构造
- 3.14 交换
- 3.15 赋值运算符重载
- 四、源码
一、简单剖析list源码
在模拟vector容量讲过，要想快速了解STL源码，首先要看成员变量：
node从名字上猜测是一个节点，其类型是list_node。然后我发现list_node也是重命名出来的：
而__list_node<T>又是什么东西呢？如下所示：
显然这是一个双向链表，并且__list_node是用来定义结点的
接下来就应该分析构造函数：
get_node从名字上是得到结点，那么应该是开辟空间的。我们可以简单看看：
空间配置器讲起来有点麻烦，直接使用new和delete也是够用的
然后node的next和prev都指向自己。因此list的底层是一个带头(哨兵位)双向循环链表，因此list的成员变量应该是哨兵位结点。
大致结构我们已经知道了，不妨再来看看插入操作：
这和以往学习过的双向循环链表很相似，无非就是创造新的结点，然后再把它们链接起来。
大致内容已经了解了，直接开始实现吧~
二、准备工作
为了方便管理代码，分两个文件来写：
Test.cpp- 测试代码逻辑list.h- 模拟实现list
三、模拟实现list常见操作
3.1 默认构造函数
namespace wj
{
template<class T>
struct list_node // 定义结点
{
list_node<T>* _next;
list_node<T>* _prev;
T _val;
};
template<class T>
class list
{
public:
list()
{
// 为哨兵位头结点开空间
_head = new list_node<T>;
// 自己指向自己
_head->_prev = _head;
_head->_next = _head;
}
private:
list_node<T> _head; // 哨兵位（不存储有效数据）
};
}
定义结点的成员变量最好是公有的，方便类外可以随时访问。注意：此处的struct可不是C语言的结构体，在C++中已经升级成了类，并且默认成员都是公有的。当然使用class也是没问题的，只是要加上public。
以上代码还能简化，我们知道类模板和普通类是不同的，普通类的类名即是类型，而类模板的类名是类名<T>。而有许多人会很容易忘记加上<T>，因此我们可以对list_node<T>进行重命名typedef：
namespace wj
{
template<class T>
struct list_node // 定义结点
{
list_node<T>* _next;
list_node<T>* _prev;
T _val;
};
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> Node;
public:
list()
{
// 为哨兵位头结点开空间
_head = new Node;
// 自己指向自己
_head->_prev = _head;
_head->_next = _head;
}
private:
list_node<T> _head; // 哨兵位（不存储有效数据）
};
}
- 为了防止与库的
list冲突，要重新写一个命名空间域wjtypedef在类中是有讲究的。如果typedef放在public段中，则可以在类外部使用；而如果放在private段中，则只能在类内使用。注意：上述代码是只能在类中使用！
3.2 push_back - 尾插
void push_back(const T& val)
{
//1. 找尾（哨兵位的prev）
Node* tail = _head->_prev;
// 2. 开辟一个新节点
Node* newnode = new Node(val);
// 3. 链接 _head tail newnode
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _head;
_head->_prev = newnode;
}
尾插就容易多了，下面有图帮助大家理解：
注意：new对于自定义类型除了开空间，还会调用构造函数。初始化_val
struct list_node // 结点的定义
{
list_node<T>* _next;
list_node<T>* _prev;
T _val;
list_node(const T& val = T())
:_next(nullptr)
, _prev(nullptr)
, _val(val)
{}
};
缺省值给T()相信看过模拟实现vector都不陌生。不能直接给0，这样就写死能，只能int类型适用，对于string就不行了。因此可以给个匿名对象，它会调用T类型的默认构造。内置类型也是有默认构造的：
3.3 迭代器（重点）
能否定义类似像vector的迭代器？如下所示：
typedef Node* iterator;
答案当然不行！list不能像vector一样以原生指针（普通指针）作为迭代器。
vector类似于数组，数据在内存中是连续存储的。对迭代器(指针)++，就可以跳过一个对象的大小，并且解引用也能得到对应的数据；然而，list的节点不能保证一定在内存空间中连续存在，导致++/--不一定能找到下一个节点，并且对其解引用得到的是结点而不是有效数据。
那问题来了，如何定义list的迭代器呢？
我们可以封装一个类，然后用重载运算符去改变指针的行为。为什么可以这样呢？原因是：内置类型的++是行为规定的，但是自定义类型的++是自己说的算。可以联想以往实现的日期类->点击跳转
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
cout << *it << ' ';
++it;
}
我们可以对照以上代码一步一步实现迭代器
begin() + end()
在这个类中，只需要一个结点类的指针成员变量，用于指向list某一个结点， 在一开始定义迭代器时，需要一个构造函数，用于迭代器的初始化。注意：begin和end需要定义在list类中，因为它们本身就是list内置的接口函数
// 封装一个类实现迭代器
template<class T>
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T> Node;
Node* _node; //指向某个节点的指针
// 迭代器的初始化
__list_iterator(Node* node)
:_node(node)
{}
};
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> Node;
public:
typedef __list_iterator<T> iterator;
iterator begin()
{
return _head->_next;
// return iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
return _head;
//return iterator(_head);
}
private:
Node* _head;
};
这里还有一个知识点，begin和end返回类型为迭代器，怎么能返回结点的指针呢？— 这是因为单参数的构造函数支持隐式类型转换。
!=、==、*、++、--
封装一个类，然后用重载运算符去改变指针的行为
// 封装一个类实现迭代器
template<class T>
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T> self;
Node* _node; //指向某个节点的指针
__list_iterator(Node* node) // 迭代器的初始化
:_node(node)
{}
/
// 用结点的指针比
bool operator!=(const self& it) const
{
return _node != it._node;
}
bool operator==(const self& it) const
{
return _node == it._node;
}
/
T& operator*()
{
// 出了作用域，结点还在，引用返回
return _node->_val;
}
/
// 迭代器++返回的还是迭代器
self& operator++() //前置
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
self& operator--() // 前置
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
self operator--(int) // 后置
{
self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
self operator++(int) // 后置
{
self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
};
前置++和后置++会发生一个问题：函数名会相同。因此，C++规定：后置(++/--)重载时多增加一个int类型的参数，但调用函数时该参数不用传递。
3.4 const的迭代器（重点）
现在又有一个问题，const的迭代器也能否像类似于vector一样设计？如下所示：
答案当然是不可以的！这是因为 const迭代器要求的是迭代器指向的内容不可以被修改，而对一个类加上一个const，这是让这个类对象无法被修改啊。也就是类的成员变量都不可以被修改，这样一来，这个迭代器里面的指针无法移动了。（const的迭代器指针是可以移动的，但是指向的内容不可被修改）
那么const的迭代器该如何设计呢？我们知道，list迭代器输出数据是依靠解引用的，因此可以在返回值加上const
template<class T>
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T> self
Node* _node; //指向某个节点的指针
__list_iterator(Node* node) // 迭代器的初始化
:_node(node)
{}
// 用结点的指针比
bool operator!=(const self& it) const
{
return _node != it._node;
}
bool operator==(const self& it) const
{
return _node == it._node;
}
T& operator*()
{
// 出了作用域，结点还在，引用返回
return _node->_val;
}
// 迭代器++返回的还是迭代器
self& operator++() //前置
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
self& operator--() // 前置
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
self operator--(int) // 后置
{
self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
self operator++(int) // 后置
{
self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
};
template<class T>
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T> self;
Node* _node; //指向某个节点的指针
__list_iterator(Node* node) // 迭代器的初始化
:_node(node)
{}
// 用结点的指针比
bool operator!=(const self& it) const
{
return _node != it._node;
}
bool operator==(const self& it) const
{
return _node == it._node;
}
const T& operator*()
{
// 出了作用域，结点还在，引用返回
return _node->_val;
}
// 迭代器++返回的还是迭代器
self& operator++() //前置
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
self& operator--() // 前置
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
self operator--(int) // 后置
{
self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
self operator++(int) // 后置
{
self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
};
但以上代码显得有点冗余，只有两个函数的返回值不一样，其它都是一样的。那还有什么别的设计方法呢？
注意：上面两个函数只要返回值的类型不一样，因此可以通过一个类型来控制返回值 -> 即增加一个模板参数（库里也是这么实现的~）
// 封装一个类实现迭代器
template<class T, class Ref> // 增加一个模板参数
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T, Ref> self;
Node* _node; //指向某个节点的指针
__list_iterator(Node* node) // 迭代器的初始化
:_node(node)
{}
Ref operator*()
{
return _node->_val;
}
}
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> Node;
public:
typedef __list_iterator<T, T&> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&> const_iterator;
iterator begin()
{
return _head->_next;
}
const_iterator end() const
{
return _head;
}
const_iterator begin() const
{
return _head->_next;
}
iterator end()
{
return _head;
}
private:
list_node<T> _head; // 哨兵位（不存储有效数据）
};
补充：除了重载*运算符，当然也要重载->操作符
T* operator->()
{
return &_node->_val;
}
那什么时候会用到->操作符呢？下面有个例子：
#include <iostream>
#include "list.h"
using namespace std;
struct A
{
A(int a = 0)
:_a(a)
{}
int _a;
};
int main()
{
wj::list<A> lt;
lt.push_back(A(1));
lt.push_back(A(2));
lt.push_back(A(3));
lt.push_back(A(4));
lt.push_back(A(5));
wj::list<A>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
cout << it->_a << " ";
it++;
}
cout << endl;
}
【输出结果】
有没有发现operator->非常怪，首先我们这个运算符重载返回的是什么呢？是T*，也就是A*，也就是说它还需要一次->才能打印_a。严格来说，it->->_a，才是符合语法的。那么这里为什么还能编译通过呢？因为运算符重载要求可读性，那么编译器特殊处理，省略了一个->
但是以上代码还是不够完善，由于->只针对普通对象，如果是const对象，其返回值应该是const T*，这个问题就和运算符重载*类似了，再增加一个模板参数，因此完整代码如下：
template<class T, class Ref, class ptr>
struct __list_iterator // 迭代器
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T, Ref, ptr> self;
Node* _node; //指向某个节点的指针
__list_iterator(Node* node) // 迭代器的初始化
:_node(node)
{}
Ref operator*()
{
return _node->_val;// 出了作用域，结点还在，要加&
}
ptr operator->()
{
return &_node->_val;
}
}
template<class T> // 为list提供
class list
{
typedef list_node<T> Node;
public:
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
iterator begin()
{
// return iterator(_head->_next);
return _head->_next;
}
iterator end()
{
// return iterator(_head);
return _head;
}
private:
Node* _head; // 哨兵位（不存储有效数据）
};
3.5 insert - 插入
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
// pos 不需要检查
// 假设在node前插入
// head newnode node tail
// 步骤如下
// 1. 开辟新的结点
Node* newnode = new Node(x);
// 2. 找到要删除的结点node
Node* cur = pos._node;
// 3. 以及node的前一个节点
Node* prev = cur->_prev;
// 4. 链接
prev->_next = newnode;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
newnode->_prev = prev;
return newnode;// 返回新插入元素的位置
}
3.6 erase - 删除
iterator erase(iterator pos)
{
// 检查pos的有效性
assert(pos != end());
// 1.分别找到pos的前一个节点和后一个节点
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* next = cur->_next;
// 2, 链接
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
// 3. 删除
delete cur;
// 注意:list的erase会有迭代器失效问题
// 返回删除元素的下一个位置
return next;
}
3.7 头插 - push_front
复用insert
void push_front(const T& val)
{
insert(begin(), val);
}
3.8 尾删 - pop_back
复用erase
void pop_back()
{
erase(--end());
}
3.9 头删 - pop_front
void pop_front()
{
erase(begin());
}
3.10 个数 - size
遍历即可
size_t size()
{
size_t count = 0;
iterator it = begin();
while (it != end())
{
++count;
++it;
}
return count;
}
或者还可以在成员变量中定义size_t _size，每次插入数据++，以及删除数据--即可
3.11 析构
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
3.12 清空 - clear
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
3.13 拷贝构造
list(const list<T>& it)
{
_head = new Node;
_head->_prev = _head;
_head->_next = _head;
for (auto& e : it)
{
push_back(e);
}
}
3.14 交换
void swap(list<T> it)
{
std::swap(_head, it._head);
std::swap(this->size(), it._size());
}
3.15 赋值运算符重载
list<T>& operator=(const list<T> it)
{
swap(it);
return *this;
}
四、源码
#pragma once
#include <assert.h>
namespace wj
{
template<class T>
struct list_node
{
list_node<T>* _next;
list_node<T>* _prev;
T _val;
list_node(const T& val = T())
:_next(nullptr)
, _prev(nullptr)
, _val(val)
{}
};
template<class T, class Ref, class ptr>
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T> Node;
typedef __list_iterator<T, Ref, ptr> self;
Node* _node;
__list_iterator(Node* node)
:_node(node)
{}
Ref operator*()
{
return _node->_val;
}
ptr operator->()
{
return &_node->_val;
}
self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
self& operator--(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_prev;
return tmp;
}
self operator++(int)
{
self tmp(*this);
_node = _node->_next;
return tmp;
}
bool operator!=(const self& it) const
{
return _node != it._node;
}
bool operator==(const self& it) const
{
return _node == it._node;
}
};
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> Node;
public:
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
iterator begin()
{
// return iterator(_head->_next);
return _head->_next;
}
iterator end()
{
// return iterator(_head);
return _head;
}
const_iterator begin() const
{
//return _head->_next;
return const_iterator(_head->_next);
}
const_iterator end() const
{
return _head;
//return const_iterator(_head);
}
list()
{
_head = new Node;
_head->_prev = _head;
_head->_next = _head;
_size = 0;
}
list(const list<T>& it)
{
_head = new Node;
_head->_prev = _head;
_head->_next = _head;
_size = 0;
for (auto& x : it)
{
push_back(x);
}
}
void push_back(const T& val)
{
Node* tail = _head->_prev;
Node* newnode = new Node(val);
tail->_next = newnode;
newnode->_prev = tail;
newnode->_next = _head;
_head->_prev = newnode;
_size++;
}
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* newnode = new Node(x);
prev->_next = newnode;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
newnode->_prev = prev;
_size++;
return newnode;
}
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos != end());
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
Node* next = cur->_next;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete cur;
_size--;
return next;
}
void push_front(const T& val)
{
insert(begin(), val);
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
size_t size()
{
/*size_t count = 0;
iterator it = begin();
while (it != end())
{
++count;
++it;
}
return count;*/
return _size;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
_size = 0;
}
void swap(list<T> it)
{
std::swap(_head, it._head);
std::swap(_size, it._size);
}
list<T>& operator=(const list<T> it)
{
swap(it);
return *this;
}
private:
Node* _head;
size_t _size;
};
}
测试代码
#include <iostream>
using namespace std;
#include "list.h"
int main()
{
// 默认构造
wj::list<int> ll;
// 尾插测试
ll.push_back(1);
ll.push_back(2);
ll.push_back(3);
ll.push_back(4);
// 迭代器测试
wj::list<int>::iterator it = ll.begin();
while (it != ll.end())
{
cout << *it << ' ';
it++;
}
cout << endl;
// 范围for（底层迭代器）
for (auto& x : ll)
{
cout << x << ' ';
}
cout << endl;
// insert测试
// 在3的前面插入30
it = ll.begin();
for (int i = 0; i < 2; i++)
{
it++;
}
ll.insert(it, 30);
for (auto& x : ll)
{
cout << x << ' ';
}
cout << endl;
// erase测试
it = ll.begin();
// 删除30
for (int i = 0; i < 2; i++)
{
it++;
}
ll.erase(it);
for (auto x : ll)
{
cout << x << ' ';
}
cout << endl;
// 头插测试
// 头插100
ll.push_front(100);
for (auto x : ll)
{
cout << x << ' ';
}
cout << endl;
// 尾删测试
ll.pop_back(); // 100 1 2 3
for (auto x : ll)
{
cout << x << ' ';
}
cout << endl;
// 头删测试
ll.pop_front(); // 1 2 3
for (auto x : ll)
{
cout << x << ' ';
}
cout << endl;
// size测试
cout << "个数为：" << ll.size() << endl; // 3
// 清空
ll.clear();
for (auto x : ll)
{
cout << x << ' '; // 无输出
}
cout << endl;
// 拷贝构造
ll.push_back(1);
ll.push_back(2);
ll.push_back(3);
ll.push_back(4);
ll.push_back(5);
wj::list<int> lll(ll);
for (auto x : lll)
{
cout << x << ' '; // 1 2 3 4 5
}
cout << endl;
// 赋值运算符重载
wj::list<char> a;
a.push_back('a');
wj::list<char> b;
b.push_back('b');
b.push_back('b');
b.push_back('b');
a = b;
for (auto x : a)
{
cout << x << ' ';
}
cout << endl;
// 交换
wj::list<char> c;
a.push_back('c');
wj::list<char> d;
b.push_back('d');
b.push_back('d');
b.push_back('d');
d.swap(c);
for (auto x : c)
{
cout << x << ' ';
}
cout << endl;
for (auto x : d)
{
cout << x << ' ';
}
cout << endl;
return 0;
}
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