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【C++/STL】:list容器的深度剖析及模拟实现

8 人参与  2024年10月17日 14:42  分类 : 《关注互联网》  评论

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?前言?一,节点类?二,迭代器类1,普通迭代器类的实现2,->运算符的使用场景3,const迭代器类的实现4,通过模板参数,把两个类型的迭代器类结合5,迭代器类的一些问题的思考 ?三,list 类1,list类的结构2,迭代器的实现3,插入数据insert4,删除数据erase5,头插,头删,尾插,尾删6,常见构造函数的实现7,析构函数

?前言

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要模拟实现list,必须要熟悉list的底层结构以及其接口的含义,list的底层是带头双向循环链表,通过上一篇文章的学习,这些内容已基本掌握,现在我们来模拟实现list容器的主要接口。

与前面的vector类似,由于使用了模板,也只分成.cpp和.h两个文件。

.cpp文件里放节点类,迭代器类,list类及其成员函数,测试函数的实现,在.h文件里进行测试

本文的重点是:对三个类的区分与理解,迭代器类的实现

?一,节点类

1.为什么定义节点结构体时使用struct而不是class?

答:(1)其实用class也可以,但是class与struct默认的访问限定不同,当没有声明公有,私有时,struct内容默认是公有,class内容默认的私有,所以用class要加上public

(2)当我们用class没有加上public,也没有实例化对象时,编译不会报错(报私有成员的错误),因为模版是不会被细节编译的。只有当我们实例化出对象,模版才会被编译,并且类的实例化并不是对所有成员函数都实例化,而是调用哪个成员函数就实例化哪个。这叫做按需实例化。

2.可用匿名对象初始化。如果T是自定义类型,则调用其默认构造,并且T是内置类型也升级成了有默认构造的概念了。

template <class T>struct ListNode{ListNode<T>* _next;ListNode<T>* _prev;T _data;ListNode(const T& data = T()):_next(nullptr),_prev(nullptr),_data(data){}};

?二,迭代器类

前面学习的string类和vector的迭代器用的是原生指针类型,即T*。但是在list容器中是不能这样的,因为前面两者的底层物理空间是连续的,符合迭代器++与- -的行为。但是list是由一个一个节点构成的,物理空间不连续,Node*的++和- -不符合迭代器的行为,无法变遍历

所以用一个类把Node* 封装,就可以重载运算符,使得用起来像内置类型,但会转换成函数调用,继而控制Node*的行为。

1,普通迭代器类的实现

遍历需要的核心运算符重载是 *,!=,++ 和 ->。所以只需要利用带头双向循环链表的特性,对Node * 进行封装,从而控制Node * 的行为。

class ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T> Self;//名字变得简短public:Node* _node;//定义一个节点指针ListIterator(Node* node):_node(node){}//前置:返回之后的值//++it;//返回与自己一样的类型Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//后置:返回之前的值Self operator++(int){Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}T& operator*(){return _node->_data;}//返回的是数据的地址T* operator->(){return &_node->_data;}bool operator!=(const Self& it){return _node != it._node;}bool operator==(const Self& it){return _node == it._node;}};

2,->运算符的使用场景

假设某个场景下存在一个坐标类:

struct Pos{int _row;int _col;Pos(int row = 0,int col = 0):_row(row),_col(col){}};

如果我们插入坐标,并且想要打印出坐标,该如何遍历?

错误示范

void test_list2(){list<Pos> lt1;lt1.push_back(Pos(100, 100));//使用匿名对象lt1.push_back(Pos(200, 200));lt1.push_back(Pos(300, 300));//这里的it是Pos*,是结构体指针list<Pos>::iterator it = lt1.begin();while (it != lt1.end()){cout << *it << " ";//err++it;}cout << endl;}

原因:因为这里的*it返回的是Pos自定义类型,而访问自定义类型需要需要在类中自己重载流插入(<<),这里并没有重载,所以报错

正确操遍历的两种方式

方式1:通过.操作符直接访问结构体的成员变量(一般不这样访问数据)。

cout << (*it)._row << ":" << (*it)._col << endl;//ok

方式2:通过重载->运算符,对结构体指针进行解引用。

cout << it.operator->()->_row << ":" << it.operator->()->_col << endl;//ok

注意:其实这里严格来说是有两个箭头,第一个运算符重载的调用 it.operator->() 返回的是 Pos*,第二个箭头才是原生指针,Pos*再用箭头访问。为了可读性,省略了一个->。

void test_list2(){list<Pos> lt1;lt1.push_back(Pos(100, 100));//使用匿名对象lt1.push_back(Pos(200, 200));lt1.push_back(Pos(300, 300));//这里的it是Pos*,是结构体指针list<Pos>::iterator it = lt1.begin();while (it != lt1.end()){//方式1://cout << (*it)._row << ":" << (*it)._col << endl;//ok//*it就是Pos结构体,再用.操作符访问成员//方式2:cout << it->_row << ":" << it->_col << endl;//ok//cout << it.operator->()->_row << ":" << it.operator->()->_col << endl;//ok++it;}cout << endl;}

3,const迭代器类的实现

在我们遍历数据时,有时会写一个打印函数,引用传参,一般建议加const,这就出现了一个const链表

void Func(const list<int>& lt1){list<int>::const_iterator it = lt1.begin();while (it != lt1.end()){cout << *it << " ";++it;}cout << endl;}

const迭代器不是在普通迭代器前面加const,即不是const iterator

//err 这样使it本身也不能++了const list< int >::iterator it = it.begin();

const 迭代器目的:本身可以修改,指向的内容不能修改,类似const T* p。

所以我们要再定义一个类,控制*和->的返回值就可以了。

template <class T>class ListConstIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListConstIterator<T> Self;//名字变得简短public:Node* _node;//定义一个节点指针ListConstIterator(Node* node):_node(node){}//前置:返回之后的值//++it;//返回与自己一样的类型Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//后置:返回之前的值Self operator++(int){Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}// 所以我们要再定义一个类,使用const控制*和->的返回值就可以const T& operator*(){return _node->_data;}const T* operator->(){return &_node->_data;}bool operator!=(const Self& it){return _node != it._node;}bool operator==(const Self& it){return _node == it._node;}};

4,通过模板参数,把两个类型的迭代器类结合

可以发现,其实普通迭代器和const迭代器的本质区别是 * 和 ->,这两个运算符的返回类型的变化。两个类冗余,所以可以通过模板,给不同的模板参数,让编译器自己实例化两个类。

template <class T,class Ref,class Ptr>struct ListIterator{typedef ListNode<T> Node;typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;//名字变得简短Node* _node;//定义一个节点指针ListIterator(Node* node):_node(node){}//前置:返回之后的值//++it;//返回与自己一样的类型Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}//后置:返回之前的值Self operator++(int){Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}Ref operator*(){return _node->_data;}Ptr operator->(){return &_node->_data;}bool operator!=(const Self& it){return _node != it._node;}bool operator==(const Self& it){return _node == it._node;}};

5,迭代器类的一些问题的思考

(1) 类中是否需要写析构函数

这个迭代器类不要写析构函数,因为这里的节点不是迭代器的,是链表的,不用把它释放。我们使用begin,end返回节点给迭代器,是借助迭代器修改,访问数据,所以我们不需要释放

(2) 类中是否需要写拷贝构造进行深拷贝和写赋值拷贝

这里也不需要写拷贝构造进行深拷贝,因为这里要的就是浅拷贝。begin返回了第一个节点的迭代器给it,这里就是用默认生成的拷贝构造,浅拷贝给it,那这两个迭代器就指向同一个节点,所以这里用默认的拷贝构造和赋值拷贝就可以了

?三,list 类

1,list类的结构

template <class T>class list{typedef ListNode<T> Node;public://物理空间不是连续的,不符合迭代器的行为,无法遍历//typedef Node* iterator;//规范命名//typedef ListIterator<T> iterator;//typedef ListConstIterator<T> const_iterator;typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//………………private:Node* _head;};

2,迭代器的实现

包含普通迭代器和const迭代器

iterator begin(){//iterator it(_head->_next);//return it;return iterator(_head->_next);//使用匿名对象}iterator end(){return iterator(_head);}const_iterator begin()const{return const_iterator(_head->_next);}const_iterator end()const{return const_iterator(_head);}

3,插入数据insert

iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* cur = pos._node;//找到当前节点Node* newnode = new Node(x);//申请节点Node* prev = cur->_prev;//找到前一个节点//prev newnode cur 进行链接newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;return iterator(newnode);}

注意:链表的insert没有迭代器失效问题,因为没有扩容的概念,pos位置的节点不会改变。但是STL库里insert也给了返回值,返回的是新插入位置的迭代器

4,删除数据erase

iterator erase(iterator pos){assert(pos != end());//防止删除头节点Node* cur = pos._node;//找到当前节点Node* prev = cur->_prev;//找到前一个节点Node* next = cur->_next;//找到后一个节点prev->_next = next;next->_prev = prev;delete cur;return iterator(next);}

注意:链表的erase后有迭代器失效问题,pos失效了,因为pos指向的节点被释放了。所以也要返回值,返回的是删除节点的下一个节点的迭代器

5,头插,头删,尾插,尾删

可以复用前面的 insert和 erase

//尾插:end()的下一个位置void push_back(const T& x){//Node* newnode = new Node(x);//申请节点并且初始化//Node* tail = _head->_prev;链接节点//tail->_next = newnode;//newnode->_prev = tail;//_head->_prev = newnode;//newnode->_next = _head;insert(end(), x);}//尾删void pop_back(){erase(--end());//注意:前置--}//头插:在begin前面插入void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}//头删void pop_front(){erase(begin());}

6,常见构造函数的实现

主要包含:构造函数,拷贝构造,initializer_list构造(列表构造)

注意:由于这些都是在有哨兵位节点的前提下实现的,所以可以把申请哨兵位头节点这一步骤提取出来。

//空初始化,申请哨兵位头节点void empty_init(){_head = new Node();_head->_next = _head;_head->_prev = _head;}list(){empty_init();}//拷贝构造:直接复用尾插,前提要有哨兵位头节点//lt2(lt1)list(const list<T>& lt){empty_init();//注意:使用范围for时加上const和&for (const auto& e : lt){push_back(e);}}//initializer_list构造,前提要有哨兵位头节点list(initializer_list<T> il){empty_init();for (const auto& e : il){push_back(e);}}

7,析构函数

析构函数的作用是:删除整个链表结构,包括哨兵位节点

//清空当前数据 留头节点,其余节点释放void clear(){auto it = begin();while (it != end()){//返回删除节点的下一个节点的迭代器it = erase(it);}}//析构:销毁整个链表~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}

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