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《C++ list的模拟实现》

9月前 作者：#Sunshine boy 分类：Toy博客 阅读(41) 违法举报

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了《C++ list的模拟实现》。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

本文主要介绍list容器的模拟实现

list示意图：
《C++ list的模拟实现》
首先需要定义一个节点 的结构体

//节点
	template <class T>
	struct list_node
	{
		list_node<T>* _next;
		list_node<T>* _prev;
		T _data;

		//构造函数
		list_node(const T& x = T())
			:_next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _data(x)
		{}
	};

1、迭代器

正向迭代器类

我们之前所理解的是：迭代器理解为像指针一样的东西，但是在list中有些不同

// 迭代器逻辑
while(it!=l.end())
{
	*it; // 解引用取数据
	++it;// 自加到达下一个位置
}

我们可以来观察一下STL源码中大佬是怎么封装的：
《C++ list的模拟实现》
我们可以看到，只有一个成员，那就是一个结点的指针node，link_type又是一个自定义类型的指针，我们原生类型的指针在vector或者string中是可以直接typedef成为迭代器的，但是list底层是双链表，数据结构并非连续的，所以直接*it或者++it是不能够完成迭代器的任务的，但是C++中支持对于自定义类型的运算符重载，我们可以对解引用和自加两个运算符重载。

++it：就是当前指针存放下一个结点的地址
*it：解引用当前节点，取出值来

迭代器中，拷贝构造、运算符赋值重载、析构都不需要自己实现，使用默认生成的即可(即浅拷贝)，因为迭代器是用自定义类型的指针封装的，访问修改链表，节点属于链表，不属于迭代器，所以不用管它。

我们在传入const版本的list时，list是const对象，需要的是const_iterator，这里会出现错误，不能将const的list的迭代器传给普通迭代器。如下所示例子：

void print_list(const list<int>& lt)
{
	// lt.begin()是const迭代器（只可读）
	// it是普通迭代器（可读可写）
	list<int>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
}

现在我们如何实现一个const的迭代器呢？
意思就是只可以读不能够写。可以++，- -，*解引用，但是解引用时不能修改数据。
可以想到这种写法：

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

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

但是并不是迭代器是const的，而是我们传入的list容器是const版本的。

我们可以将写一个const_iterator 的类版本，这样普通迭代器和const迭代器就不是一个类型了，是两个不同的类型了，这样会造成代码冗余。

template<class T>
struct __const_list_iterator
{
	//...
	// __list_iterator全部替换为__const_list_iterator
};

优化：
增加一个模板参数class Ref
《C++ list的模拟实现》
这样第一个模板参数都是T，我们可以根据传入的第二个参数来推出时T&还是const T&，本来我们是要实现两个类的，现在只需要增加一个模板参数即可，这里体现出了C++泛型的优势！
迭代器我们说，它是像指针一样的东西，如果它是指向的一个结构体，需要用它的成员变量，我们还需要重载->箭头

struct Date {
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Date(int year = 0, int month = 0, int day = 0)
	//这里要给默认参数，因为需要构建一个哨兵位头结点
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
};
void test_list2()
{
	list<Date> lt;
	lt.push_back(Date(2022, 1, 1));
	lt.push_back(Date(2022, 1, 2));
	lt.push_back(Date(2022, 1, 3));
	lt.push_back(Date(2022, 1, 4));

	// 现在来遍历日期类
	list<Date>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << (*it)._year << "/" << (*it)._month << "/" << (*it)._day << endl;
		++it;
	}
	cout << endl;
}

这里的*解引用然后再去.，我们可以重载->，让他可以去调用结构体的成员，这样更加快捷高效方便。

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

《C++ list的模拟实现》
进一步解释：
*it调用operator*，返回一个结点对象，对象再.操作，拿到数据
it->调用operator->，返回对象的指针，(这里返回的是原生指针)再通过->调用用结构体成员，这里实际上应该是it->->_year，但是这样写，可读性很差，所以编译器做了一个优化，省略了一个->，所以所有的类型只要想要重载->，都会这样优化省略一个->

这里又会衍生出一个问题，那就是如果使用const_iterator，使用->也会修改数据，所以再增加一个模板参数
《C++ list的模拟实现》

// 正向迭代器类
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
	typedef	ListNode<T> Node;
	typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;// 再次typedef，方便后续的修改
	Node* _node;

	__list_iterator(Node* x)// 迭代器的实质，就是自定义类型的指针
		:_node(x)
	{}

	// ++it 返回++之后的引用对象
	self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}

	// it++ 返回++之前的对象
	self operator++(int)
	{
		self  tmp(this);
		_node = _node->_next;
		return tmp;
	}

	// --it 
	self& operator--()
	{
		_node = _node->_prev;
		return *this;
	}

	// it-- 
	self operator--(int)
	{
		self tmp(this);
		_node = _node->_prev;
		return tmp;
	}

	// 返回引用，可读可写
	Ref operator*()
	{
		return _node->_data;
	}
	
	// 返回对象的指针
	Ptr operator->()
	{
		return &(_node->_data);
	}

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

反向迭代器类

实质：对于正向迭代器的一种封装
反向迭代器跟正想迭代器区别就是++，- -的方向是相反的
所以反向迭代器封装正向迭代器即可，重载控制++，- -的方向
《C++ list的模拟实现》

#pragma once
// reverse_iterator.h
namespace sjj 
{
	template <class Iterator, class Ref, class Ptr>
	class reverse_iterator
	{
		typedef reverse_iterator<Iterator,Ref,Ptr> self;
		
	public:
		reverse_iterator(Iterator it)
			:_it(it)
		{}

		// 比较巧妙，解引用取的是当前位置的前一个位置的数据
		// operator*取前一个位置, 主要就是为了让反向迭代器开始和结束跟正向迭代器对称
		Ref operator *()
		{
			Iterator tmp = _it;
			return *--tmp;
		}
		Ptr operator->()
		{
			return &(operator*());
		}

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

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

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

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

	private:
		Iterator _it;
	};
}

2、push_back尾插函数

《C++ list的模拟实现》

void push_back(const T& x)
{
	// 先找尾记录
	/*Node* tail = _head->_prev;
	Node* newnode = new Node(x);

	tail->_next = newnode;
	newnode->_prev = tail;

	_head->_prev = newnode;
	newnode->_next = _head;
	tail = tail->_next;*/

	// 复用insert函数
	insert(end(), x);
}

3、 push_front头插函数

// 头插
void push_front(const T& x)
{
	// 复用insert函数
	insert(begin(), x);
}

4、 insert插入函数

《C++ list的模拟实现》


// 在pos位置前插入
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	Node* cur = pos._node;
	Node* prev = cur->_prev;
	Node* newnode = new Node(x);

	prev->_next = newnode;
	newnode->_prev = prev;

	newnode->_next = cur;
	cur->_prev = newnode;

	return iterator(newnode);// 返回新插入结点位置的迭代器
}

注意：这里list的insert函数，pos位置的迭代器不会失效，因为pos指向的位置不会改变，vector中迭代器失效的原因是因为挪动数据，导致指向的位置的数据发生变化。

5、erase删除函数

《C++ list的模拟实现》

iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos != end());//不能将哨兵位的头结点给删除了

	Node* prev = pos._node->_prev;
	Node* next = pos._node->_next;
	delete pos._node;

	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;

	return iterator(next);// 返回pos位置的下一个位置的迭代器
}

注意：这里的pos位置的迭代器一定会失效，因为都已经将结点给删除了。

6、pop_front函数

// 复用erase函数
void pop_front()
{
	erase(begin());
}

7、pop_back函数

// 复用erase函数
void pop_back()
{
	erase(--end());
}

8、 构造函数

//空构造，复用后就不用写初始化列表了
void emptyInit()
{
	_head = new Node;
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
}

list()
{
	emptyInit();
}

// 函数模板，用迭代器区间进行初始化
template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
	emptyInit();
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		++first;
	}
}


list(size_t n, const T& val = T())
{
	emptyInit();
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
	{
		push_back(val);
	}
}

注意：
《C++ list的模拟实现》
这两个构造函数一起使用可能会存在问题，填充版本和构造器版本可能会存在冲突，如下例子：

struct Date {
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Date(int year = 0, int month = 0, int day = 0)//这里要给默认参数，因为有一个哨兵位头结点需要初始化
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
};
void test_list4()
{
	list<Date> lt1(5, Date(2022, 9, 9));
	for (auto e : lt1)
	{
		cout << e._year << "/" << e._month << "/" << e._day << endl;
	}
	cout << endl;

	list<int> lt2(5, 1);
	for (auto e : lt2)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

对于这两个：在实例化时会调用更加匹配的构造函数初始化
list lt1(5, Date(2022, 9, 9))它会正常调用list(size_t n, const T& val = T())

list lt2(5, 1)而它会将5和1推演成两个int，进而去匹配这个迭代器版本的构造函数
template < class InputIterator> list(InputIterator first, InputIterator last)，但是与我们的本意，用n个val初始化原意相背，而其中有个*first，这里int去解引用必会报错

改进：再多提供第一个参数是int重载版本的list(int n, const T& val = T())构造函数

list(int n, const T& val = T())
{
	emptyInit();
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
	{
		push_back(val);
	}
}

9、 拷贝构造函数

浅拷贝会崩溃的原因是，同一块空间被析构了两次，所以我们要完成深拷贝文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-467363.html

// lt2(lt1)
list(const list<T>& lt)
{
	emptyInit();

	list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
	std::swap(_head, tmp._head);
}

10、 list赋值重载函数

// 现代写法
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
	std::swap(_head, lt._head);
	return *this;
}

11、clear

// 清空
void clear()
{
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		erase(it++); // 也可以复用erase,it++返回加加之前的值
	}
}

12、 析构函数

~list()
{
	clear();
	// 析构与clear不同，要将哨兵位头结点给删除了
	delete _head;
	_head = nullptr;
}

程序源码

list.h

#pragma once
#include <assert.h>
#include "Reverse_Iterator.h"
namespace mwq
{
	template <class T>
	struct list_node
	{
		struct list_node* _next;
		struct list_node* _prev;
		T _data;

		list_node(const T& x = T())
		{
			_next = nullptr;
			_prev = nullptr;
			_data = x;
		}
	};

	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* n)
			:_node(n)
		{}

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

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

		Self& operator++()
		{
			_node = _node->_next;
			return *this;
		}

		Self operator++(int)
		{
			Self temp(*this);
			_node = _node->_next;
			return temp;
		}

		Self& operator--()
		{
			_node = _node->_prev;
			return *this;
		}

		Self operator--(int)
		{
			Self temp(*this);
			_node = _node->_prev;
			return temp;
		}

		bool operator!=(const Self& s)
		{
			return _node != s._node;
		}

		bool operator==(const Self& s)
		{
			return _node == s._node;
		}
	};

	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  ReverseIterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
		typedef  ReverseIterator<iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;

		void Swap(list<T>& temp)
		{
			std::swap(_head, temp._head);
		}

		void emptyInit()
		{
			_head = new node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}
		list()
		{
			emptyInit();
		}

		template <class InputIterator>
		list(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			emptyInit();
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}

		list(const list<T>& lt)
		{
			emptyInit();
			list<T> temp(lt.begin(), lt.end());
			Swap(temp);
		}

		list<T>& operator=(list<T> temp)
		{
			emptyInit();
			Swap(temp);
			return *this;
		}

		iterator begin()
		{
			return iterator(_head->_next);
		}
		iterator end()
		{
			return iterator(_head);
		}

		//反向迭代器
		reverse_iterator rbegin()
		{
			return reverse_iterator(end());
		}
		reverse_iterator rend()
		{
			return reverse_iterator(begin());
		}


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


		void push_back(const T& x)
		{
			/*node* tail = _head->_prev;

			node* newnode = new node(x);
			tail->_next = newnode;
			newnode->_prev = tail;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;*/
			insert(end(), x);
		}
		void push_front(const T& x)
		{
			insert(begin(), x);
		}

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

		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}
	
		void insert(iterator pos,const T& x)
		{
			node* cur = pos._node;
			node* prev = cur->_prev;
			node* newnode = new node(x);

			prev->_next = newnode;
			newnode->_prev = prev;
			newnode->_next = cur;
			cur->_prev = newnode;		
		}
		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(!empty());
			node* cur = pos._node;
			node* prev = cur->_prev;
			node* next = cur->_next;

			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			return iterator(next);
		}

		bool empty()const 
		{
			return _head->_next == _head;
		}
		
		void clear()
		{
			auto it = begin();
			while (it != end())
			{
				it = erase(it);			
			}
		}

		~list()
		{
			clear();
			delete _head;
			_head = nullptr;
		}

	private:
		node* _head;
	};

	void test_list1()
	{
		list<int> lt;
		lt.push_back(1);
		lt.push_back(2); 
		lt.push_back(3);
		lt.push_back(4);

		list<int>::iterator it = lt.begin();
		while (it != lt.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;

		list<int> lt2;
		lt2 = lt;
		list<int>::iterator it2 = lt2.begin();
		while (it2 != lt2.end())
		{
			cout << *it2 << " ";
			++it2;
		}
		cout << endl;

		list<int>::reverse_iterator rit = lt.rbegin();
		while (rit != lt.rend())
		{
			cout << *rit << " ";
			++rit;
		}
		cout << endl;
	}
}

Reverse_Iterator.h

#pragma once
namespace mwq
{
	template <class Iterator, class Ref, class Ptr>
	struct ReverseIterator
	{
		typedef ReverseIterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;
		Iterator _cur;

		ReverseIterator(Iterator it)
			:_cur(it)
		{}

		Ref operator*()
		{
			Iterator temp(_cur);
			--temp;
			return *temp;
		}

		Ptr operator->()
		{
			Iterator temp(_cur);
			--temp;
			return temp;
		}

		Self& operator++()
		{
			--_cur;
			return *this;
		}

		Self operator++(int)
		{
			Self temp(*this);
			--_cur;
			return temp;
		}

		Self& operator--()
		{
			++_cur;
			return *this;
		}
		Self operator--(int)
		{
			Self temp(*this);
			++_cur;
			return temp;
		}

		bool operator!=(const Self& s)
		{
			return _cur != s._cur;
		}

		bool operator==(const Self& s)
		{
			return _cur == s._cur;
		}
	};
}

到了这里，关于《C++ list的模拟实现》的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！

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