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【C++】C++ STL 探索:List使用与背后底层逻辑

16 人参与  2024年09月10日 08:42  分类 : 《关注互联网》  评论

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C++语法相关知识点可以通过点击以下链接进行学习一起加油!
命名空间缺省参数与函数重载C++相关特性类和对象-上篇类和对象-中篇
类和对象-下篇日期类C/C++内存管理模板初阶String使用
String模拟实现Vector使用及其模拟实现

本文将通过模拟实现List,从多个角度深入剖析其底层机制,详细讲解其内部实现原理和实际应用场景,帮助读者全面理解和掌握List的工作方式。

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文章目录

前文:List介绍一、搭建创建List武器库1.1 创建节点ListNode1.2 迭代器ListIterator 1.2.1 自定义类型迭代器1.2.2 交换语句1.2.3 迭代器运算符重载1.2.3.1 前置++与后置++1.2.3.2 前置--与后缀--1.2.3.4 *运算符重载1.2.3.5 ==与!=运算符重载 二、正式模拟实现List2.1 武器库使用2.2 获得List开头和结尾迭代器2.3 关于迭代器失效2.4 insert2.5 erase 2.6 复用insert与erase完成插入与删除2.7 operator->重载2.8 const_Iterator迭代器2.8.1 实现const_Iterator迭代器2.8.2 模板整合类型问题 2.9 打印链表元素 三、常规接口实现3.1 构造函数3.2 拷贝构造3.3 operator= 赋值运算符3.4 clear 清除3.5 ~list 析构函数3.6 size 查看当前链表元素个数3.7 empty 判空 List.h

前文:List介绍

list文档介绍

list是可以在常数范围内在任意位置插入和删除的序列式容器,并且该容器可以前后双向迭代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面一个元素和后一个元素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,已让其更简单高效与其他的序列式容器相比,list通常在任意位置进行插入,移除元素的执行效率更好与其他序列式容器相比,list和forward_list最大的缺陷式不支持任意位置的随机访问。

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在模拟实现list过程中,为了避免跟库中list发生冲突,需要创建个命名空间,在命名空间中实现list。

namespace ls{class list{};}

list的底层是双向链表结构,而链表是通过每个独立的节点利用指针连接在一起的数据结构。节点是组成链表基本单位。模拟实现带头双向循环链表,为了适应不同的数据类型,选择采用类模板。

一、搭建创建List武器库

1.1 创建节点ListNode

template<class T>    struct ListNode    {        ListNode<T>* _next;        ListNode<T>* _prev;        T _data;        //创建节点,是传数据创建的        ListNode(const T& x = T())            :_next(nullptr)                ,_prev(nullptr)                ,_data(x)            {}    };

具体说明:为了适应不同类型的节点,将创建节点设计成类模板。访问限定符一般选用struct,由于默认访问权限是公开的,节点里面数据都是可以使用。当然使用class也是可以的,只需要将访问限定符设置为public。

节点对象实例化一般是传个数值,但是为了考虑类型和是否传参,可以设置一个全缺省构造函数

1.2 迭代器ListIterator

链表通过每个节点连接在一起,但这不能保证节点间地址是连续的。对此虽然原生指针是天然的迭代器,但是建立在物理空间连续的情况下

1.2.1 自定义类型迭代器

list<T> ::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){    *it += 10;    cout << *it;    it++;}

由于链表节点间物理空间不连续,使用原生指针作为迭代器不能满足++或–操作。节点间又是通过指针连接在一起的,那么可以将指针封装到类中,通过运算符重载重新定义运算符的行为,达成我们的需求。不采用内置类型迭代器,选择自定义类型迭代器,其中自定义类型迭代器内部是通过指针实现的。

template<class T>    struct ListIterator    {        typedef ListNode<T> Node;        typedef  ListIterator<T> Self;        Node* _node;        ListIterator(Node* node)            :_node(node)            {}    }

注意事项:

将通过ListIterator类模板模拟实现迭代器,通过采用struct公开迭代器里面的数据 ListIterator(Node* node),这里迭代器的实现还是依赖指针,只是通过类封装改变运算符的行为,参数部分是传递指针类型(关键)其中迭代器是作为指向作用,申请资源不属于迭代器,而属于链表,不需要考虑析构的问题,迭代器就是玩数据数据公开意味着,内部数据可以被任意修改。没人会去跳过封装,使用内部的数据,没有意义。不同编译器中底层实现是不一样的(实现逻辑、名称),这本身就是一种隐式设置为私有的作用

1.2.2 交换语句

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

1.2.3 迭代器运算符重载

1.2.3.1 前置++与后置++
//前缀++Self& operator++(){    _node = _node->_next;    return *this;}//后缀++Self operator++(int){    //构造一个tmp临时变量    Self tmp(*this);    _node = _node->_next;    return tmp;}
1.2.3.2 前置–与后缀–
Self& operator--(){    _node = _node->_prev;    return *this;}//后缀--Self operator--(int){    //构造一个tmp临时变量    Self tmp(*this);    _node = _node->_prev;    return tmp;}

具体说明:有拷贝构造就需要考虑深浅拷贝的问题。这里需要使用到浅拷贝,指向同一块空间,并且不需要考虑重复析构的问题,也说明了浅拷贝并都是坏处。临时对象tmp同指向一块空间,调用完临时对象被销毁,指向空间资源保留。这也导致了返回类型是指针还是引用。

1.2.3.4 *运算符重载
T& operator* (){    return _node->_data;}
1.2.3.5 ==与!=运算符重载
//通过指针指向的节点去判断是否相等bool operator==(const Self& it){    return _node == it._node;}bool operator!=(const Self& it){    return _node != it._node;}

具体说明:

关于形参部分使用const修饰,其一为了提醒对象顺序问题,其二在while(it != lt.end())lt.end()调用返回临时对象具有常性,在参数部分进行接收将权限降低。迭代器间的比较并不是比较指向数据,而是比较迭代器指向的位置

二、正式模拟实现List

2.1 武器库使用

前面知识是为了我们实现List提供武器库

template<class T>    class list    {        typedef ListNode<T> Node;        public:        typedef  ListIterator<T> Iterator;        private:        //创建哨兵位        Node* _head;        size_t _size;    };

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武器使用:

关于typedef ListNode<T> Nodetypedef ListIterator<T> Iterator这两个类可以当作武器库,主要是为List类提供服务。那么对于ListIterator类来说ListNode<T> Node也是当作一个武器进行使用。对于带头双向循环链表,成员对象需要哨兵位和记录个数对象。

2.2 获得List开头和结尾迭代器

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

具体说明:

由于正在使用自定义类型的迭代器,返回类型为Iterator自定义类型。返回类型可以写成Node*类型,单参数的拷贝构造函数支持隐式类型转换。

需要注意:

返回值没有传引用返回,由于该接口功能是返回开头和节点迭代器,如果传引用返回,会影响下一次调用该节点。我们不需要拿到这个位置的迭代器,只需要拿到这个位置的信息。

小插曲:隐式类型转换

list<int> :: Iterator it = (lt._head->_next);

由于_ head属于list类中的私有对象,不能直接的访问私有成员,通过公共接口访问。不同编译器底层实现是不同的,这也体现了封装的重要性。

2.3 关于迭代器失效

关于vector学习,我们知道在扩容或缩容的时候,可能会出现迭代器失效的问题。在list这里insert不会出现迭代器失效,但是erase就会出现迭代器失效。

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关于解决不同编译器下erase导致迭代器失效的问题。方法有两个:迭代器失效以后,不要直接使用,如何要使用按照规则重新更新使用,返回被删除数据的迭代器。

2.4 insert

void  insert(Iterator pos, const T& val){    Node* newnode = new Node(val);    Node* cur = pos._node;    Node* prev = cur->_prev;    newnode->_next = cur;    newnode-> _prev = prev;    cur->_prev = newnode;    prev->_next = newnode;    _size++;}

这里跟数据结构实现双向链表任意位置插入数据的逻辑是一样的,不同的地方就是这里使用迭代器。

2.5 erase

//这些需要使用迭代器作为返回类型,怕出现迭代器失效Iterator& erase(Iterator pos){    Node* cur = pos._node;    Node* next = cur->_next;    Node* prev = cur->_prev;    delete cur;    next->_prev = prev;    prev->_next = next;    _size--;    //注意点    return Iterator(next);}

具体说明:这里跟数据结构实现双向链表任意位置删除数据的逻辑是一样的。

需要注意:返回类型需要使用迭代器类型,怕出现迭代器失效,返回下一个位置的迭代器

2.6 复用insert与erase完成插入与删除

void push_back(const T& val){    insert(end(), val);}void pop_back(){    erase(--end());}void push_front(const T& val){    insert(begin(), val);}void pop_front(){    erase(begin());}

具体说明:

在vector实现push_back和pop_back时,通过begin和end得到迭代器指向的位置。返回变量为具有常性的临时变量,不能通过++或–对其修改。在List中迭代器可以进行++或–操作,由于不是对临时对象本身进行修改,而是在运算符重载中改变了运算符的行为,修改是临时对象指向的内容。在vector中修改是对象本身当然是不信的。

2.7 operator->重载

给出场景:关于之前类模板实例化中模板参数为内置类型,这次将T改为自定义类型,注意A是自定义类型。

struct A{    int a1 = 0, a2 = 0;    A(int a1,int a2)        :a1(1)            ,a2(2)        {}};list<A> lt;list<A> ::Iterator it = lt.begin();lt.push_back(A(1,2));lt.push_back({3,3});while (it != lt.end()){    cout << *it;    it++;}

在进行cout << *it中得到该类对象,并没有得到内部数据,对此有两个解决措施:

(*it).a1直接访问成员流插入的运算符重载

我们希望得到的效果是第二种写法,第一种感觉会冗余

第一种:(*it).a1

第二种:it->_a1

重点梳理:

先梳理思路list<A> ::Iterator it代表了it属于Iterator类对象。这里将it看成迭代器,其中*被运算符重载为_node->_data,其中_data类型就是自定义类型A。那么*it行为就是得到自定义类型A对象,通过A对象.内部成员变量方式进行访问。对于第二种:也是想通过->运算符重载得到A类型对象,但是很奇怪,得到了A类型对象怎么去访问A类型对象中成员变量呢?对此编译器为了可读性,省略了一个->,实际上是这样子的it.operator->()->_a1,编译器省略之后it->_a1就可以了,提高了可读性。
//返回A类型对象指针,很合理啦T* operator->(){    return &_node->_data;}

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2.8 const_Iterator迭代器

2.8.1 实现const_Iterator迭代器

关于迭代器相关接口已经实现完毕,如果我们需要实现个指向内容不可以被修改的迭代器呢?

思考问题:

我们为什么要用const_Iterator而不是const Iterator呢?const修饰迭代器,是迭代器本身不能被修改,还是迭代器指向内容不能被修改呢?
const Iterator begin() const{    return _head->_next;}const Iterator end() const{    return _head;}

我们实现const版本迭代器目的就是为了指向内容不被修改。

分析过程

Iterator是一个类,如果在前面加const,它表示的意思是这个类对象本身不能被修改,而不是指向内容不能被修改。实现链表的迭代器不是内置类型,而是自定义类型,在自定义类型前面使用const修饰代表本身不能被修改,会导致++或–运算符之类的运算符重载会失效。指出问题:迭代器指向内容是否被修改,需要对实现迭代器的类里面解引用运算符重载进行const修饰
template<class T>    struct ListConIterator    {        typedef ListNode<T> Node;        typedef  ListConIterator<T> Self;        //只针对解引用 修改了迭代器的行为 但是++ --是将迭代器位置改变,迭代器指向的内容不能被修改        Node* _node;        //迭代器还是依赖指针,通过类来改变运算符的行为        //这里是浅拷贝 拷贝构造函数        ListIterator(Node* node)            :_node(node)            {}        Self& operator++()        {            _node = _node->_next;            return *this;        }        //后缀++        Self operator++(int)        {            //构造一个tmp临时变量            Self tmp(*this);            _node = _node->_next;            return tmp;        }        //这里需要判断空        Self& operator--()        {            _node = _node->_prev;            return *this;        }        //        //后缀--        Self operator--(int)         {            //构造一个tmp临时变量            Self tmp(*this);            _node = _node->_prev;            return tmp;        }        const  T& operator* ()         {            return _node->_data;        }        //通过指针指向的节点去判断是否相等        bool operator==(const Self& it)        {            return _node == it._node;        }        bool operator!=(const Self& it)        {            return _node != it._node;        }        const T* operator->()         {            return &_head->_data;        }    };

具体说明:将解引用操作符重载的返回值用const修饰,保证返回的数据不能被修改。这里没有对++和–的返回值进行修饰,因为++和–并不直接影响迭代器的内容,是针对迭代器(it)本身

2.8.2 模板整合类型问题

不足之处:对于Ierator类与const_Ierator类的解引用运算符重载大体功能相同,主要区别在于不同情况下需要使用返回值类型不同,实现两个类显得有点冗余。如果问题是在于类型上差异导致的,可以将两个封装到同一个类中,使用模板实现。

typedef ListIterator<T, T&, T*> Iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_Iterator;template<class T,class Ref, class Ptr>    struct ListIterator    {        typedef ListNode<T> Node;        typedef  ListIterator<T,Ref,Ptr> Self;        Node* _node;        //迭代器还是依赖指针,通过类来改变运算符的行为        //这里是浅拷贝 拷贝构造函数        ListIterator(Node* node)            :_node(node)            {}        //Self& operator++()        Self& operator++()        {            _node = _node->_next;            return *this;        }        //后缀++        Self operator++(int)        {            //构造一个tmp临时变量            Self tmp(*this);            _node = _node->_next;            return tmp;        }        Self& operator--()        {            _node = _node->_prev;            return *this;        }        //后缀--        Self operator--(int)        {            //构造一个tmp临时变量            Self tmp(*this);            _node = _node->_prev;            return tmp;        }        // T& operator* ()        Ref operator* ()        {            return _node->_data;        }        //通过指针指向的节点去判断是否相等        bool operator==(const Self& it)        {            return _node == it._node;        }        bool operator!=(const Self& it)        {            return _node != it._node;        }        //T* operator->()        Ptr operator->()        {            return &_head->_data;        }    };

2.9 打印链表元素

void PrintList(const list<int>& clt){    list<int> ::Iterator it = clt.begin();    while (it != clt.end())    {        *it += 10;        cout << *it << " ";        ++it;    }    cout << endl;}

三、常规接口实现

3.1 构造函数

    void empty_init()    {        _head = new Node;        _head->_next = _head;        _head->_prev = _head;        _size = 0;    }

构造和拷贝构造都需要一份节点,那么可以复用一份

这里不需要对_data进行初始化,在new Node时已经完成

    list()    {    empty_init();    }

3.2 拷贝构造

    list(const list<T>& lt)    {        empty_init();        for (auto e : lt)        {            push_back(e);        }    }

3.3 operator= 赋值运算符

    list<T>& operator=(list<T> it)    {        swap(it);         return *this;    }

3.4 clear 清除

void clear(){    Iterator it = begin();    while (it != end())    {        it = erase(it);    }}

说明:

这里是简单的资源清除,没有删除哨兵位同时在使用erase时,需要将下一个位置迭代器返回

3.5 ~list 析构函数

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

3.6 size 查看当前链表元素个数

    //获得基本信息    size_t size()    {        return _size;    }

3.7 empty 判空

bool empty(){    return _size == 0;}

List.h

#include <iostream>using namespace std;//链表 任意位置插入 不怕迭代器失效//链表 任意位置删除 怕迭代器失效 对此需要传下一个位置的迭代器namespace bit{//节点template<class T>struct ListNode{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;//创建节点,是传数据创建的ListNode(const T& x = T()):_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(x){}};//template<class T>//template<class T,class Ref, class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef  ListIterator<T,Ref,Ptr> Self;Node* _node;//迭代器还是依赖指针,通过类来改变运算符的行为//这里是浅拷贝 拷贝构造函数ListIterator(Node* node):_node(node){}//Self& operator++()Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}//后缀++Self operator++(int){//构造一个tmp临时变量Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//后缀--Self operator--(int){//构造一个tmp临时变量Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}// T& operator* ()Ref operator* (){return _node->_data;} //通过指针指向的节点去判断是否相等 bool operator==(const Self& it) { return _node == it._node;} bool operator!=(const Self& it) { return _node != it._node; } //T* operator->()Ptr operator->() { return &_head->_data; }};//template<class T>//struct ListConIterator//{//typedef ListNode<T> Node;//typedef  ListConIterator<T> Self;////只针对解引用 修改了迭代器的行为 但是++ --是将迭代器位置改变,迭代器指向的内容不能被修改//Node* _node;////迭代器还是依赖指针,通过类来改变运算符的行为////这里是浅拷贝 拷贝构造函数//ListIterator(Node* node)//:_node(node)//{}//Self& operator++()//{//_node = _node->_next;//return *this;//}////后缀++//Self operator++(int)//{////构造一个tmp临时变量//Self tmp(*this);//_node = _node->_next;//return tmp;//}////这里需要判断空//Self& operator--()//{//_node = _node->_prev;//return *this;//}//////////后缀--// Self operator--(int) //{////构造一个tmp临时变量//Self tmp(*this);//_node = _node->_prev;//return tmp;//}// // T& operator* () //{//return _node->_data;//}////通过指针指向的节点去判断是否相等//bool operator==(const Self& it)//{//return _node == it._node;//}//bool operator!=(const Self& it)//{//return _node != it._node;//}// T* operator->() //{//return &_head->_data;//}//};template<class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public://typedef  ListIterator<T> Iterator;typedef ListIterator<T, T&, T*> Iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_Iterator;//不要传引用,不要修改这些位置Iterator begin(){//return Iterator(_head->_next);//单参数的拷贝构造函数支持隐式类型转换return _head->_next;}Iterator end(){//return Iterator(_head);return _head;}const Iterator begin() const{return _head->_next;}const Iterator end() const{return _head;}const_Iterator begin() const{//return Iterator(_head->_next);//单参数的拷贝构造函数支持隐式类型转换return _head->_next;}const_Iterator end() const{//return Iterator(_head);return _head;}//构造-->同时拷贝需要也需要一份节点 那么就可以复用同一份void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;//不需要 newndoe->date 在实例化时,data已经是0了_size = 0;}list(){empty_init();}//拷贝构造 list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto e : lt){push_back(e);}} list<T>& operator=(list<T>& it) { swap(it);  return *this; } void swap(list<T>& it) { std::swap(_head, it._head); std::swap(_size, it._size); } //通过迭代器来实现void  insert(Iterator pos, const T& val) { Node* newnode = new Node(val); Node* cur = pos._node; Node* prev = cur->_prev;  newnode->_next = cur; newnode-> _prev = prev; cur->_prev = newnode; prev->_next = newnode; _size++; }//这些需要使用迭代器作为返回类型,怕出现迭代器失效Iterator& erase(Iterator pos) {Node* cur = pos._node;Node* next = cur->_next;Node* prev = cur->_prev;delete cur;next->_prev = prev;prev->_next = next;_size--;//注意点return Iterator(next); }void push_back(const T& val){insert(end(), val);}void pop_back(){erase(--end());}void push_front(const T& val){insert(begin(), val);}void pop_front(){erase(begin());}void clear(){Iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;} //获得基本信息 size_t size() { return _size; } bool empty() { return _size == 0; }private://创建哨兵位Node* _head;size_t _size;};struct A{int a1 = 0, a2 = 0;A(int a1 , int a2):a1(1),a2(2){}};void PrintList(const list<int>& clt){list<int> ::Iterator it = clt.begin();while (it != clt.end()){*it += 10;cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}void list_test(){//list<int> it;先插入//it.push_back(1);//it.push_back(2);//list<int> :: Iterator lt = it.begin();//A* ptr = &a1// (*ptr).a1;// ptr->_a1//返回的是临时变量 是一份临时拷贝 具有常性list<A> lt;list<A> ::Iterator it = lt.begin();lt.push_back(A(1,2));lt.push_back({3,3});while (it != lt.end()){cout << *it;it++;}}}


以上就是本篇文章的所有内容,在此感谢大家的观看!这里是店小二呀C++笔记,希望对你在学习C++语言旅途中有所帮助!
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