【C++】STL---list的模拟实现

林子

墨衍会员 · AI 创作全网分发码龄4年

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原创 2023-01-12 09:18:26 1.8k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

量子通信：初识量子城域网对量子城域网的概念、作用、拓扑、建设内容等进行了较为全面的初步介绍。阅读详情

前言

上次模拟实现了一个vector容器，那么我们这次来实现一个list(链表)容器，链表在实际的开发中并不常见。但是也是一种很重要的数据结构，下面给大家介绍一下链表(list) 和 vector(顺序表)的区别。

一、list和vector的区别

list 和 vector 一样，是一个存储容器。不同的是vector在内存中是连续存储的，而list每个节点所在的内存区域是不连续的。那我们用vector还是用list呢？vector和list的优劣势有以下几点。
vector优点:
1.支持下标随机访问。
2.cpu命中缓存率高
vector缺点:
1.存在一定的程度的空间浪费。
2.扩容代价大。
3.中间和前面元素的删除与插入，代价大。

list优点:
1.按需申请空间，不存在空间浪费。
2.任意位置的插入与删除，时间复杂度都是O(1)。
list缺点:
1.不支持随机访问，以至于查找，排序等操作代价太大。
2.cpu命中缓存率低。

综上所述，我们可以看到list和vector是完全互补的两个容器。vector的优点就是list的缺点，vector的缺点就是list的优点。所以，如果查找多，用vector，如果增删操作多，用list，了解了list之后，接下来我们就可以模拟实现一下它。

二、节点的定义

我们要实现的是一个带头双向循环的链表。
在这里插入图片描述
所以节点有三个参数，一个的prve指向前一个节点，一个是date存储数据，还有一个是next指向下一个节点。当然，我们还需要有个构造函数，来给date赋值。

代码:

	//节点结构体
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		Node* _prve;
		Node* _next;
		T _data;

		//构造函数
		ListNode():_prve(nullptr),_next(nullptr),_data(0){}
		
		ListNode(const T& val)
			:_prve(nullptr)
			,_next(nullptr)
		{
			_data = val;
		}
	};

三、list类定义

list定义很简单，因为要存任意类型的参数，我们用模板即可。
而私有成员只有一个，那就是头节点。

代码:

	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> Node;
	public:
		//构造函数
		list()
		{
			//开辟空间
			_head = new Node;
			//自己指向自己
			_head->_prve = _head;
			_head->_next = _head;
		}
	private:
		Node* _head;
	};

四、push_back函数

push_back函数也就是尾部插入，我们可以通过头节点的prev找到最后一个节点，随后链接即可。

代码:

		void push_back(const T& val)
		{
			//创建一个新节点
			Node* newNode = new Node(val);
			//找到尾节点
			Node* tail = _head->_prve;
			//尾节点和创建的节点链接
			tail->_next = newNode;
			newNode->_prve = tail;
			_head->_prve = newNode;
			newNode->_next = _head;
		}

五、push_front函数

就是头插，很简单，直接保存节点的下一个节点，然后创建一个新节点。把这俩节点链接起来。

代码:

		void push_front(const T& val)
		{
			//创建一个新节点
			Node* newNode = new Node(val);
			//保存头节点的下一个节点
			Node* next = _head->_next;
			//链接
			_head->_next = newNode;
			newNode->_prve = _head;
			next->_prve = newNode;
			newNode->_next = next;
		}

六、迭代器

因为是链表容器，链表在内存中的存储不是连续的，所以迭代器+1是无法找到下一个节点的。所以我们要单独弄一个结构体来封装list的迭代器。

代码:

	template<class T>
	struct_list_iterator
	{
		Node* _it;
		typedef ListNode<T> Node;
		// 构造函数
		_list_iterator(Node* node)
			:_it(node)
		{	
		}

	};

七、begin和end函数

我们的链表是带头的，也就是头节点是不存放有效值的，所以头节点的_next指向的节点就是链表的第一个节点。而最后一个节点的下一个节点又恰好是头节点。所以迭代器开始位置是在头节点的下一个位置，结束位置是头节点。不过再此之前，我们需要把迭代器typedef一下。

代码:

		//迭代器
		typedef _list_iterator<T> iterator;
		typedef _list_iterator<const T> const_iterator;
		//迭代器获取
		iterator begin()
		{
			return iterator(_head->_next);
		}

		const_iterator begin()const
		{
			return const_iterator(_head->_next);
		}

		iterator end()
		{
			return iterator(_head);
		}

		const_iterator end()const
		{
			return const_iterator(_head);
		}

八、迭代器区间初始化

有了迭代器之后，我们可以用迭代器区间来进行初始化。

代码:

		template<class InputIterator>
		list(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			//创建头节点
			_head = new Node();
			_head->_prve = _head;
			_head->_next = _head;

			while (first != last)
			{
				pusb_back(*first);
				++first;
			}
		}

九、迭代器的操作符重载

接下来我们来完善迭代器的一些操作。

操作符++重载

迭代器++，就是指向下一个元素。

		typedef _list_iterator<T> self;
		//前置++重载
		self& operator++()
		{
			_it = _it->_next;
			return *this;
		}
		//后置++重载
		self operator++(int)
		{
			self tmp(*this);
			_it = _it->_next;
			return tmp;
		}

操作符- -重载

和++类似，不过- -是到前一个节点。

		//前置--重载
		self& operator--()
		{
			_it = _it->_prve;
			return *this;
		}

		//后置--重载
		self operator--(int)
		{
			self tmp(*this);
			_it = _it->_prve;
			return tmp;
		}

操作符！=重载

直接比较地址即可。

	// !=重载
		bool operator!=(const self& it)const
		{
			return _it != it._it;
		}

操作符==重载

直接比较地址即可。

	// ==重载
		bool operator==(const self& it)const
		{
			return _it == it._it;
		}

操作符*重载

*就是解引用，所以我们返回节点的值即可。

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

但是这个代码有个缺陷，那就是当容器是const的时候，依旧可以解引用修改它的值，这也就意味着const迭代器根本就不具有常属性，要想const迭代具备常属性，我们必须增加模板参数。
在这里插入图片描述
当容器是const的时候，返回的const迭代器必须具有常属性。所以我们要加一个模板参数作为返回值。

然后list里面typedef的类型也修改一下。
在这里插入图片描述
然后我们解引用时，返回Ref这个模板参数

这样，我们就让const的迭代器具备了常属性

迭代器结构体的所有代码:

//迭代器
	template<class T,class Ref>
	struct _list_iterator
	{
	
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef _list_iterator<T,Ref> self;
		Node* _it;
		// 构造函数
		_list_iterator(Node* node)
			:_it(node){}
		//前置++重载
		self& operator++()
		{
			_it = _it->_next;
			return *this;
		}

		//后置++重载
		self operator++(int)
		{
			self tmp(*this);
			_it = _it->_next;
			return tmp;
		}

		//前置--重载
		self& operator--()
		{
			_it = _it->_prve;
			return *this;
		}

		//后置--重载
		self operator--(int)
		{
			self tmp(*this);
			_it = _it->_prve;
			return tmp;
		}
		// *重载
		Ref operator*()
		{
			return _it->_data;
		}
		// !=重载
		bool operator!=(const self& it)const
		{
			return _it != it._it;
		}
		// ==重载
		bool operator==(const self& it)const
		{
			return _it == it._it;
		}

	};

十、insert函数

insert函数是在指定位置插入一个节点，那么我们可以用迭代器来接收这个要插入的位置。

		//插入节点
		iterator insert(iterator pos, const T& val)
		{
			assert(pos._it);
			//保存pos的前一个位置
			Node* cru = pos._it;
			Node* prve = cru->_prve;
			//创建节点
			Node* newNode = new Node(val);
			//链接
			prve->_next = newNode;
			newNode->_prve = prve;
			newNode->_next = cru;
			cru->_prve = newNode;

			return pos;
		}

十一、erase函数

指定位置删除节点，删除节点会影响迭代器失效，所以要返回一个有效的迭代器。删除操作也十分简单，保存前一个节点的地址和后一个地址的节点，然后链接这2个节点，之后释放pos节点。

		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos._it);
			Node* cru = pos._it;
			Node* prve = cru->_prve;
			Node* next = cru->_next;
			//链接
			prve->_next = next;
			next->_prve = prve;
			//释放cru
			delete cru;
			return next;
		}

十二、pop_back函数

就是尾删，我们可以直接复用erase

		void pop_back()
		{
			erase(end());
		}

当然，push_back也可以复用inset

十三、pop_front

就是头删，还是复用erase。头插也可以复用insert

		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}

十四、析构函数

链表的基本功能已经实现完了，但是当我们链表不用的时候，申请的空间必须销毁。而自带的析构函数不会销毁动态申请的空间，需要我们自己写析构函数销毁。

代码:

//析构函数
		~list()
		{
			//清空链表
			clear();
			//释放头节点
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

		void clear()
		{
			//除了头节点外，其他都释放。
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				//保存下一个位置的地址
				iterator next = it++;
				delete next._it;
			}
			//释放完之后，头节点指向的是个野指针，所以我们让它指向自己
			_head->_next = _head;
			_head->_prve = _head;
		}

十五、拷贝构造函数

那么我们想拷贝链表呢？我们可以直接用迭代器区间去创建一个新的对象，然后把新对象的头节点成员和旧对象进行交换。出了函数创建的对象会自动调用析构函数释放空间。

//拷贝构造
		list(const list<T>& l1)
		{
			//创建头节点
			_head = new Node();
			_head->_prve = _head;
			_head->_next = _head;
			//创建新对象，利用迭代器区间
			list<T> tmp(l1.begin(), l1.end());
			//随后交换新对象和旧对象的成员
			swap(_head, tmp._head);
		}

十六、赋值操作符重载

我们可以利用拷贝构造创建一个新对象，然后交换头节点。函数结束，创建的对象自动析构。

代码:

list<T>& operator=(const list<T>& l1)
		{
			list<T> tmp(l1);
			swap(_head, tmp._head);
			return *this;
		}

十七、迭代器优化

我们的迭代器还不够完美，因为如果list装的是自定义类型的话，我们还需要让迭代器支持 ->访问。期望它返回一个对象的指针回来，然后该对象的指针可以->直接访问成员。所以我们还需要增加模板参数。

增加一个指针参数
在这里插入图片描述
链表里的迭代器调整。

然后重载迭代器的->操作符

		Ptr operator->()
		{
			//返回对象的指针
			return &(_it->_data);
		}

可以直接支持->访问
在这里插入图片描述

十七、反向迭代器

之前在vector实现的时候，我们实现过反向迭代器。vector实现链接。所以我们可以复用这个反向迭代器。

首先，包上反向迭代器的头文件名。
在这里插入图片描述
其次，我们typedef 2个反向迭代器

随后用rbegin函数和rend函数获取迭代器的开始和结束位置。
begin返回的是从头节点的下一个节点，所以rend就是返回头节点的下一个位置。
end返回的是头节点，所以rbegin返回头节点。

代码:

		//反向迭代器获取
		reverse_iterator rbegin()
		{
			return reverse_iterator(end());
		}

		reverse_iterator rend()
		{
			return reverse_iterator(begin());
		}

		const_reverse_iterator rbegin()const
		{
			return reverse_const_iterator(end());
		}

		const_reverse_iterator rend()const
		{
			return reverse_const_iterator(begin());
		}

全部代码:
list.h代码

#pragma once
#include "reverse_iterator.h"

namespace wyl
{
	//节点结构体
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		Node* _prve;
		Node* _next;
		T _data;

		//构造函数
		ListNode():_prve(nullptr),_next(nullptr),_data(0){}

		ListNode(const T& val)
			:_prve(nullptr)
			,_next(nullptr)
		{
			_data = val;
		}
	};

	//迭代器
	template<class T,class Ref,class Ptr>
	struct _list_iterator
	{
	
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef _list_iterator<T,Ref,Ptr> self;
		Node* _it;
		// 构造函数
		_list_iterator(Node* node)
			:_it(node){}
		//前置++重载
		self& operator++()
		{
			_it = _it->_next;
			return *this;
		}

		//后置++重载
		self operator++(int)
		{
			self tmp(*this);
			_it = _it->_next;
			return tmp;
		}

		//前置--重载
		self& operator--()
		{
			_it = _it->_prve;
			return *this;
		}

		//后置--重载
		self operator--(int)
		{
			self tmp(*this);
			_it = _it->_prve;
			return tmp;
		}
		// *重载
		Ref operator*()
		{
			return _it->_data;
		}
		// !=重载
		bool operator!=(const self& it)const
		{
			return _it != it._it;
		}
		// ==重载
		bool operator==(const self& it)const
		{
			return _it == it._it;
		}

		Ptr operator->()
		{
			//返回对象的指针
			return &(_it->_data);
		}

	};

	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		
	public:
		//迭代器
		typedef _list_iterator<T,T&,T*> iterator;
		typedef _list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;
		//反向迭代器
		typedef _reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
		typedef _reverse_iterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;

		//构造函数
		list()
		{
			//开辟空间
			_head = new Node();
			//自己指向自己
			_head->_prve = _head;
			_head->_next = _head;
		}
		//迭代器区间初始化
		template<class InputIterator>
		list(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			//创建头节点
			_head = new Node();
			_head->_prve = _head;
			_head->_next = _head;

			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}
		//拷贝构造
		list(const list<T>& l1)
		{
			//创建头节点
			_head = new Node();
			_head->_prve = _head;
			_head->_next = _head;
			//创建新对象，利用迭代器区间
			list<T> tmp(l1.begin(), l1.end());
			//随后交换新对象和旧对象的成员
			swap(_head, tmp._head);
		}
		list<T>& operator=(const list<T>& l1)
		{
			list<T> tmp(l1);
			swap(_head, tmp._head);
			return *this;
		}

		//析构函数
		~list()
		{
			//清空链表
			clear();
			//释放头节点
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

		void clear()
		{
			//除了头节点外，其他都释放。
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				//保存下一个位置的地址
				iterator next = it++;
				delete next._it;
			}
			//释放完之后，头节点指向的是个野指针，所以我们让它指向自己
			_head->_next = _head;
			_head->_prve = _head;
		}

		void push_back(const T& val)
		{
			//创建一个新节点
			Node* newNode = new Node(val);
			//找到尾节点
			Node* tail = _head->_prve;
			//尾节点和创建的节点链接
			tail->_next = newNode;
			newNode->_prve = tail;
			_head->_prve = newNode;
			newNode->_next = _head;
		}

		void push_front(const T& val)
		{
			//创建一个新节点
			Node* newNode = new Node(val);
			//保存头节点的下一个节点
			Node* next = _head->_next;
			//链接
			_head->_next = newNode;
			newNode->_prve = _head;
			next->_prve = newNode;
			newNode->_next = next;
		}



		//迭代器获取
		iterator begin()
		{
			return iterator(_head->_next);
		}

		const_iterator begin()const
		{
			return const_iterator(_head->_next);
		}

		iterator end()
		{
			return iterator(_head);
		}

		const_iterator end()const
		{
			return const_iterator(_head);
		}

		//反向迭代器获取
		reverse_iterator rbegin()
		{
			return reverse_iterator(end());
		}

		reverse_iterator rend()
		{
			return reverse_iterator(begin());
		}

		const_reverse_iterator rbegin()const
		{
			return const_reverse_iterator(end());
		}

		const_reverse_iterator rend()const
		{
			return const_reverse_iterator(begin());
		}


		//插入节点
		iterator insert(iterator pos, const T& val)
		{
			assert(pos._it);
			//保存pos的前一个位置
			Node* cru = pos._it;
			Node* prve = cru->_prve;
			//创建节点
			Node* newNode = new Node(val);
			//链接
			prve->_next = newNode;
			newNode->_prve = prve;
			newNode->_next = cru;
			cru->_prve = newNode;

			return pos;
		}

		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos._it);
			Node* cru = pos._it;
			Node* prve = cru->_prve;
			Node* next = cru->_next;
			//链接
			prve->_next = next;
			next->_prve = prve;
			//释放cru
			delete cru;
			return next;
		}
		
		void pop_back()
		{
			erase(end());
		}

		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}

	private:
		Node* _head;
	};


	//--------------------------------------------------------------------------------------------
	//以下是测试内容

	void listTest1()
	{
		list<int> l;
		l.push_back(1);
		l.push_back(2);
		l.push_back(3);
		l.push_front(30);
		l.push_front(20);
		l.push_front(10);
	}

	void a(const list<int>& l)
	{
		list<int>::const_iterator it = l.begin();
		while (it != l.end())
		{
			//*it = 5;
			cout << *it << " ";
			it++;
		}
	}

	void listTest2()
	{
		list<int> l;
		l.push_back(1);
		l.push_back(2);
		l.push_back(3);
		list<int>::iterator it = l.begin();
		while (it != l.end())
		{
			*it = 55;
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		//a(l);
	}

	void listTest3()
	{
		list<int> l;
		l.push_back(1);
		l.push_back(2);
		l.push_back(4);
		l.push_back(5);
		l.insert(l.begin(),100);
		l.insert(l.end(), 10);

		list<int>::iterator it = l.begin();
		while (it != l.end())
		{
			if (*it % 2 == 0)
			{
				it = l.erase(it);
			}
			else
				++it;
		}
		it = l.begin();
		while (it != l.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
	}

	void listTest4()
	{
		list<int> l;
		l.push_back(1);
		l.push_back(2);
		l.push_back(4);
		l.push_back(5);
		l.clear();
		l.push_back(1);
		l.push_back(2);
		l.push_back(4); 
		l.push_back(5);
		list<int> l2 = l;
		list<int>::iterator it = l2.begin();
		while (it != l2.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
	}


	void listTest5()
	{
		list<Date> l;
		l.push_back(Date(2022, 1, 3));
		l.push_back(Date(2022, 1, 4));
		l.push_back(Date(2022, 1, 5));

		list<Date>::iterator it = l.begin();
		while (it != l.end())
		{
			cout << it->_year << "/"<<it->_month<<"/"<<it->_day<<endl;
			++it;
		}

	}

	void listTest6()
	{
		list<Date> l;
		l.push_back(Date(2022, 1, 3));
		l.push_back(Date(2022, 1, 4));
		l.push_back(Date(2022, 1, 5));

		list<Date>::reverse_iterator it = l.rbegin();
		while (it != l.rend())
		{
			cout << it->_year << "/" << it->_month << "/" << it->_day << endl;
			++it;
		}

	}

}

反向迭代器代码:
reverse_iterator.h

#pragma once

template<class iterator,class Ref,class Ptr>
class _reverse_iterator
{
	typedef _reverse_iterator<iterator, Ref, Ptr> self;
public:	
	_reverse_iterator(iterator it)
		:_it(it)
	{}
	//前置++
	self& operator++()
	{
		--_it;
		return *this;
	}
	//后置++
	self operator++(int)
	{
		self tmp(*this);
		--_it;
		return tmp;
	}

	//前置--
	self& operator--()
	{
		++_it;
		return *this;
	}
	//后置--
	self operator--(int)
	{
		self tmp(*this);
		++_it;
		return tmp;
	}

	Ref operator*()
	{
		iterator tmp = (*this)._it;
		return *(--tmp);
	}

	Ptr operator->()
	{
		return &operator*();
	}

	bool operator!=(const self& it)
	{
		return _it != it._it;
	}

	bool operator!=(const self& it)const
	{
		return _it != it._it;
	}

	bool operator==(const self& it)
	{
		return _it == it._it;
	}

	bool operator==(const self& it)const
	{
		return _it == it._it;
	}


private:
	iterator _it;
};

主程序代码:

#include"list.h"
void listTest()
{
	//wyl::listTest2();
	//wyl::listTest3();
	//wyl::listTest4();
	//wyl::listTest5();
	wyl::listTest6();

}

int main()
{
	listTest();

}

总结:

list的实现，其实最主要的部分还是迭代器。list的迭代器是比较特殊的，因为list在内存中不是连续存储的。以上代码都是我边打，边测试，没问题了才会发出来。如果有什么没测试到的错误，欢迎大家指出。以后会持续为大家更新STL的内容，以及数据结构，C语言，linux等方面的内容。感谢大家的支持，如果感觉写的还不错，麻烦给个三连嘛。我会多多努力的！

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