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前言:1. 主要数据结构2. 迭代器的实现3. 链表的实现3.1 基本结构3.2 链表的插入与删除3.3 其他成员函数 4. 迭代器操作与遍历链表5. 拷贝构造与赋值运算符6. 总结
前言:
在 C++ 标准库中,std::list 是一种非常常用的数据结构,其底层采用了双向链表的实现。在实际开发中,双向链表是一种具有灵活插入和删除操作的数据结构,尤其适合那些需要频繁操作非连续内存数据的场景。本文将通过一个手动实现的双向链表类 list 来讲解双向链表的底层结构和实现原理。
1. 主要数据结构
在链表的实现中,节点是最基本的元素,每个节点存储数据以及指向前后节点的指针。为了支持双向操作,链表的每个节点都有两个指针,分别指向前驱节点和后继节点。下面的 list_node 是一个模板类,存储泛型类型 T 的数据。
template <class T>struct list_node { T _data; // 存储节点数据 list_node* _next; // 指向下一个节点 list_node* _prev; // 指向上一个节点 // 构造函数 list_node(const T& x = T()) : _data(x) , _next(nullptr) , _prev(nullptr) {}};
2. 迭代器的实现
在链表的操作中,迭代器是至关重要的,它提供了与链表元素交互的机制。通过迭代器,用户可以像使用数组指针一样访问链表的元素。我们实现了 list_iterator 模板类,用于模拟标准库的迭代器。它不仅支持对节点的访问,还支持前后移动和增减操作。
template <class T, class Ref, class Ptr>struct list_iterator { typedef list_node<T> Node; typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> self; Node* _node; // 当前迭代器指向的节点 list_iterator(Node* node) : _node(node) {} Ref& operator*() { return _node->_data; } Ptr* operator->() { return &_node->_data; } // 前置++,移动到下一个节点 self& operator++() { _node = _node->_next; return *this; } // 前置--,移动到上一个节点 self& operator--() { _node = _node->_prev; return *this; } // 后置++,移动到下一个节点,返回之前的状态 self operator++(int) { self tmp(*this); _node = _node->_next; return tmp; } // 后置--,移动到上一个节点,返回之前的状态 self operator--(int) { self tmp(*this); _node = _node->_prev; return tmp; } bool operator!=(const self& s) { return _node != s._node; } bool operator==(const self& s) { return _node == s._node; }};
迭代器主要提供以下功能:
operator* 和 operator->:实现解引用操作,返回当前节点的数据。
operator++ 和 operator–:支持迭代器的前进和后退。
operator!= 和 operator==:支持迭代器的比较,判断是否到达链表末尾。
通过实现这些运算符,我们可以像操作指针一样操作链表中的元素。
3. 链表的实现
接下来,我们实现链表的主体类 list。这是一个模板类,可以存储任意类型的数据,并提供一些常见的链表操作。
3.1 基本结构
首先,我们在链表类中定义一个哨兵节点 _head,这个节点没有实际的数据作用,它的存在是为了简化链表的边界处理。通过让哨兵节点的 _next 和 _prev 指向自己,可以避免处理链表为空时的特殊情况。
template <class T>class list { typedef list_node<T> Node; // 节点类型public: typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator; // 可修改的迭代器 typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator; // 常量迭代器 // 构造函数 list() { empty_init(); } // 拷贝构造函数 list(const list<T>& lt) { empty_init(); for (auto& e : lt) { push_back(e); } } // 赋值操作符 list<T>& operator=(list<T> lt) { swap(lt); return *this; } // 析构函数 ~list() { clear(); delete _head; _head = nullptr; }private: Node* _head; // 哨兵节点 size_t _size; // 链表的大小 // 初始化空链表 void empty_init() { _head = new Node(); _head->_next = _head; _head->_prev = _head; _size = 0; }};
在 list 的实现中,除了常见的构造、析构函数,我们还实现了拷贝构造函数和赋值操作符。这确保了链表在被拷贝时能够正确复制内容。
3.2 链表的插入与删除
在双向链表中,插入和删除操作是其核心功能。我们通过 insert 函数将新元素插入到链表的指定位置。它首先获取要插入位置前后的节点,然后重新设置这些节点的指针,使新节点正确链接到链表中。
iterator insert(iterator pos, const T& val) { Node* cur = pos._node; Node* newnode = new Node(val); Node* prev = cur->_prev; prev->_next = newnode; newnode->_prev = prev; newnode->_next = cur; cur->_prev = newnode; ++_size; return iterator(newnode);}
对于删除操作,我们通过 erase 函数实现。erase 函数移除指定位置的节点,并将该节点前后的节点重新连接。
iterator erase(iterator pos) { assert(pos != end()); Node* del = pos._node; Node* prev = del->_prev; Node* next = del->_next; prev->_next = next; next->_prev = prev; delete del; --_size; return iterator(next);}
3.3 其他成员函数
我们还实现了链表的其他常用操作,如 push_back 和 push_front,用于在链表尾部和头部插入元素。pop_back 和 pop_front 则用于删除尾部和头部的元素。
void push_back(const T& x) { insert(end(), x);}void push_front(const T& x) { insert(begin(), x);}void pop_back() { erase(--end());}void pop_front() { erase(begin());}
这些操作都依赖于 insert 和 erase 函数,实现起来相对简单。
4. 迭代器操作与遍历链表
我们为链表提供了 begin() 和 end() 函数,用于获取链表的起始和结束迭代器。通过这些迭代器,用户可以遍历整个链表,访问每个元素。
iterator begin() { return iterator(_head->_next);}iterator end() { return iterator(_head);}
可以通过以下代码遍历链表的元素:
list<int> lt;lt.push_back(1);lt.push_back(2);lt.push_back(3);for (auto it = lt.begin(); it != lt.end(); ++it) { cout << *it << " ";}// 输出: 1 2 3
5. 拷贝构造与赋值运算符
我们实现了拷贝构造函数和赋值运算符,通过它们可以确保链表被正确复制。赋值运算符通过 swap 函数交换两个链表的内部结构,从而实现高效的赋值。
list<T>& operator=(list<T> lt) { swap(lt); return *this;}void swap(list<T>& tmp) { std::swap(_head, tmp._head); std::swap(_size, tmp._size);}
6. 总结
本文从底层实现的角度详细讲解了如何手动实现一个双向链表容器 list。我们设计了双向链表的数据结构,通过节点、迭代器、基本的插入、删除操作,最终实现了一个功能完整的链表容器。以下是本文的主要内容回顾:
1.双向链表节点设计:每个节点存储数据元素,同时通过两个指针 _prev 和 _next 链接到前一个和后一个节点。这种设计使得我们可以在链表中进行双向遍历,并支持 O(1) 时间复杂度的插入和删除操作。
2.迭代器的实现:为了让链表可以像标准库中的容器一样被遍历,我们实现了 list_iterator。通过运算符重载,用户可以使用迭代器访问链表元素,进行正向和反向遍历。迭代器操作封装了链表内部的指针操作,使链表的使用更加简洁直观。
3.链表类的实现:
插入和删除:我们实现了常见的 insert 和 erase 操作,它们负责在指定位置插入新元素或移除已有元素。双向链表的优势在于,我们可以在常数时间内完成这些操作,而无需像数组那样需要移动后续元素。push_back 和 push_front:为了方便用户插入元素,我们提供了头部和尾部的插入操作,分别对应在链表的首位插入新元素。pop_back 和 pop_front:链表的首尾删除操作也被封装在这两个函数中,方便用户快速删除首尾元素。4.迭代器操作与遍历:通过 begin() 和 end() 函数,我们可以使用 C++ 标准的范围遍历方式遍历链表的所有元素。这使得链表容器的使用方式与 C++ 标准库中的其他容器一致,降低了使用门槛。
5.拷贝构造与赋值运算符:为了确保链表可以被正确拷贝,我们实现了拷贝构造函数和赋值操作符。在赋值操作中,我们通过 swap 函数实现高效的资源交换,避免了复杂的手动赋值操作。