C++第十二弹 -- STL之list模拟实现
前言通过模拟实现可以让我们更加深刻的理解C++底层STL的实现逻辑, 本篇就对list的底层进行模拟实现.
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正文开始
模拟实现list
要模拟实现list, 必须要熟悉list的底层结构以及其接口的寄义, 通过上一篇的学习, 这些内容基本把握之后, 如今我们来模拟实现list.
1. ListNode节点类
#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;
#include<assert.h>
namespace my
{
//list的节点类
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode(const T& val = T())
: _prev(nullptr)
, _next(nullptr)
, _val(val)
{}
ListNode<T>* _prev;
ListNode<T>* _next;
T _val;
};
2. list的迭代器封装
list的迭代器
迭代器有两种实现方式, 具体应根据容器底层数据结构的实现:
1.原生态指针, 比如:vector
2.将原生态指针进行封装, 因迭代器使用形式与指针完全相同,
因此在自定义的类中必须实现以下方法:
1.指针可以解引用,迭代器的类中必须重载operator*()
2.指针可以通过->访问其所指空间成员,迭代器类中必须重载operator->()
3.指针可以++向后移动,迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)
至于operator--()/operator--(int)释放需要重载,根据具体的结构来抉择,
双向链表可以向前或者向后移动,所以需要重载,如果是forward_list就不需要重载--
4.迭代器需要进行是否相等的比较,因此还需要重载operator==()与operator!=()
template<class T,class Ref,class Ptr>
class ListIterator
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
//Ref 和 Ptr类型需要重新定义下,实现反向迭代器时需要用到
public:
typedef Ref Ref;
typedef Ptr Ptr;
//构造
ListIterator(Node* node = nullptr)
: _node(node)
{}
//具有指针类似行为
Ref operator*()
{
return _node->_val;
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
//迭代器支持移动
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;
}
//迭代器支持比较
bool operator!=(const Self& l) const
{
return _node != l._node;
}
bool operator==(const Self & l) const
{
return _node == l._node;
}
Node* _node;
};
3. 反向迭代器
//反向迭代器,迭代器复用
template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{
//注意:此处typename的作用是明确的告诉编译器,Ref是Iterator类中的一个类型,
//而不是静态成员变量,否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员
//变量,因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
public:
typedef typename Iterator::Ref Ref;
typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
//构造
ReverseListIterator(Iterator it)
: _it(it)
{}
//具有指针类似行为
Ref operator*()
{
Iterator temp(_it);
--temp;
return *temp;
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
//迭代器支持移动
Self& operator++()
{
--_it;
return *this;
}
Self& operator++(int)
{
Self temp(*this);
--_it;
return *this;
}
Self& operator--()
{
++_it;
return *this;
}
Self& operator--(int)
{
Self temp(*this);
++_it;
return temp;
}
//迭代器支持比较
bool operator!=(const Self& l) const
{
return _it != l._it;
}
bool operator==(const Self& l) const
{
return _it == l._it;
}
Iterator _it;
};
4. list类的模拟实现
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
//正向迭代器
typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, T*> const_iterator;
//反向迭代器
typedef ReverseListIterator<iterator> reverse_iterator;
typedef ReverseListIterator<const_iterator> const_reverse_iterator;
//List的构造
list()
{
CreateHead();
}
list(int n, const T& value = T())
{
CreateHead();
for (int i = 0; i < n; ++i)
{
push_back(value);
}
}
template<class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{
CreateHead();
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
list(const list<T>& l)
{
CreateHead();
//用l中的元素构造临时的temp,然后与当前对象交换
list<T> temp(l.begin(), l.end());
this->swap(temp);
}
list<T>& operator=(list<T> l)
{
this->swap(l);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
//list的迭代器
iterator begin()
{
return iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_head);
}
const_iterator begin() const
{
return const_iterator(_head->_next);
}
const_iterator end() const
{
return const_iterator(_head);
}
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());
}
//List的容器相关
size_t size() const
{
Node* cur = _head->_next;
size_t count = 0;
while (cur != _head)
{
++count;
cur = cur->_next;
}
return count;
}
bool empty() const
{
return _head->_next = _head;
}
void resize(size_t newsize, const T* data = T())
{
size_t oldsize = size();
if (newsize <= oldsize)
{
//将有效元素减少到newsize
while (newsize < oldsize)
{
pop_back();
--oldsize;
}
}
else
{
while (oldsize < newsize)
{
push_back(data);
++oldsize;
}
}
}
//list的元素访问操作
//注意:List不支持operator[]
T& front()
{
return _head->_next->_val;
}
const T& front() const
{
return _head->_next->_val;
}
T& back()
{
return _head->_prev->_val;
}
const T& back() const
{
return _head->_prev->_val;
}
//list的插入和删除
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());
}
//在pos位置前插入值为val的节点
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
Node* pNewNode = new Node(val);
Node* pCur = pos._node;
//先将新节点插入
pNewNode->_prev = pCur->_prev;
pNewNode->_next = pCur;
pNewNode->_prev->_next = pNewNode;
pCur->_prev = pNewNode;
return iterator(pNewNode);
}
//删除pos位置的节点,返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos)
{
//找到待删除的节点
Node* pDel = pos._node;
Node* pRet = pDel->_next;
//将该节点从链表中拆下来并删除
pDel->_prev->_next = pDel->_next;
pDel->_next->_prev = pDel->_prev;
delete pDel;
return iterator(pRet);
}
void clear()
{
Node* cur = _head->_next;
//采用头删除删除
while (cur != _head)
{
Node* next = cur->_next;
delete cur;
cur = next;
}
_head->_next = _head->_prev = _head;
}
void swap(my::list<T>& l)
{
std::swap(_head, l._head);
}
private:
void CreateHead()
{
_head = new Node;
_head->_prev = _head;
_head->_next = _head;
}
Node* _head;
};
}
测试代码
对构造函数进行测试
//对模拟实现的list进行测试
//正向打印链表
template<class T>
void PrintList(const my::list<T>& l)
{
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
//测试list的构造
void Testmylist1()
{
my::list<int> l1;
my::list<int> l2(10, 5);
PrintList(l2);
int array[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };
my::list<int> l3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array));
PrintList(l3);
my::list<int> l4(l3);
PrintList(l4);
l1 = l4;
PrintList(l1);
}
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/7a5890ab7aca4158b3086612ae91a4a6.png
对头/尾插入删除进行测试
//PushBack()/PopBack()/PushFront()/PopFront()
void Testmylist2()
{
//测试pushBack和PopBack
my::list<int> l;
l.push_back(1);
l.push_back(2);
l.push_back(3);
PrintList(l);
l.pop_back();
l.pop_back();
PrintList(l);
l.pop_back();
cout << l.size() << endl;
//测试pushFront与popFront
l.push_front(1);
l.push_front(2);
l.push_front(3);
PrintList(l);
l.pop_front();
l.pop_front();
PrintList(l);
l.pop_front();
cout << l.size() << endl;
}
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/dca14c6f6b5a4bb2b46682d7ab765823.png
测试指定位置插入删除
//测试insert和erase
void Testmylist3()
{
int array[] = { 1,2,3,4,5 };
my::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array));
auto pos = l.begin();
l.insert(l.begin(), 0);
PrintList(l);
++pos;
l.insert(pos, 2);
PrintList(l);
l.erase(l.begin());
l.erase(pos);
PrintList(l);
//pos指向的节点已经被删除,pos迭代器失效
cout << *pos << endl;
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
it = l.erase(it);
}
cout << l.size() << endl;
}
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/4077100df2534082af8fcf377f2f182e.png
测试反向迭代器
//测试反向迭代器
void Testmylist4()
{
int array[] = { 1,2,3,4,5 };
my::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array));
auto rit = l.rbegin();
while (rit != l.rend())
{
cout << *rit << " ";
++rit;
}
cout << endl;
const my::list<int> cl(l);
auto crit = l.rbegin();
while (crit != l.rend())
{
cout << *crit <<" ";
++crit;
}
cout << endl;
}
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/63bc18f1e0904332b1b75781db124f59.png
list的反向迭代器
我们知道, 反向迭代器的++就是正向迭代器的- -, 反向迭代器的- -就是正向迭代器的++, 因此反向迭代器的实现可以借助正向迭代器, 即: 返现迭代器内部可以包含一个正向迭代器, 对正向迭代器的接口进行包装即可.
//反向迭代器,迭代器复用
template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{
//注意:此处typename的作用是明确的告诉编译器,Ref是Iterator类中的一个类型,
//而不是静态成员变量,否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员
//变量,因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
public:
typedef typename Iterator::Ref Ref;
typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
//构造
ReverseListIterator(Iterator it)
: _it(it)
{}
//具有指针类似行为
Ref operator*()
{
Iterator temp(_it);
--temp;
return *temp;
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
//迭代器支持移动
Self& operator++()
{
--_it;
return *this;
}
Self& operator++(int)
{
Self temp(*this);
--_it;
return *this;
}
Self& operator--()
{
++_it;
return *this;
}
Self& operator--(int)
{
Self temp(*this);
++_it;
return temp;
}
//迭代器支持比较
bool operator!=(const Self& l) const
{
return _it != l._it;
}
bool operator==(const Self& l) const
{
return _it == l._it;
}
Iterator _it;
};
完
总结
通过以上的实现，可以模拟出一个雷同于list的数据结构，而且可以对其中的元素进行添加、删除、查找、等利用。如许就可以在不使用C++内置的list时，使用自己实现的List类来进行相同的利用。
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