【C++】list 模仿实现
一、list的介绍列表是一种顺序容器，它允许在序列中的任何位置实行常量时间插入和删除利用，并允许在两个方向上举行迭代。
它的底层是一个带头双向循环链表，我们直接来看一看整体框架：
// List的节点类
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode(const T& val = T())
:_val(val)
,_pPre(nullptr)
,_pNext(nullptr)
{}
ListNode<T>* _pPre;
ListNode<T>* _pNext;
T _val;
};
template<class T>
class list
{
typedef list_node<T> node;
public:
//迭代器
typedef __list_iterator<T> iterator;
typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;
//构造
list()
{
_head = new node(T());
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
}
private:
node* _head;
size_t _size;
};
二、迭代器
1、list的迭代器失效问题
insert，迭代器不失效。
earse失效。
2、迭代器的功能分类
1、单向迭代器：只能++，不能–。例如单链表，哈希表；
2、双向迭代器：既能++也能–。例如双向链表；
3、随机访问迭代器：能+±-，也能+和-。例如vector和string。
迭代器是内嵌范例（内部类或定义在类里）
3、list迭代器的模仿实现
1、list迭代器的引入
对于vector和string类而言，物理空间是一连的，原生的指针就是迭代器了（不一定哦，只是大概，版本大概差异），解引用就是数据了。但是对于这里的list而言，空间是不一连的，我们知道，迭代器有两个特征：1.解引用 2.++ /–
此时假如解引用是拿不到数据的（空间不一连），更不用说++指向下一个结点了。所以，对于list的迭代器，原生指针已经不符合我们的需求了，我们必要去举行特殊处理：举行类的封装。 我们可以通过类的封装以及运算符重载支持，这样就可以实现像内置范例一样的运算符。
2.平凡迭代器
//用类封装迭代器
template <class T>
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T> node;
//用节点的指针进行构造
__list_iterator(node* p)
:_pnode(p)
{}
//迭代器运算符的重载
T& operator*()
{
return _pnode->_data;
}
__list_iterator<T>& operator++()//返回值不要写成node* operator++()，因为迭代器++返回迭代器
{
//return _pnode->_next;
_pnode=_pnode->_next;
return *this;//返回的是迭代器
}
bool operator!=(const __list_iterator<T>& it)
{
return _pnode != it._pnode;
}
public:
node* _pnode;//封装一个节点的指针
};
留意：对于迭代器的拷贝构造和赋值重载我们并不必要自己去手动实现，编译器默认天生的就是浅拷贝，而我们必要的就是浅拷贝，这也说明了，并不是说假如有指针就必要我们去实现深拷贝。别的，迭代器通过结构体指针访问修改链表，所以，对于迭代器我们并不必要构造函数，结点的开释由链表管理。
3.const迭代器
const迭代器的错误写法：
typedef __list_iterator<T> iterator;
const list<T>::iterator it=lt.begin();
因为typedef后，const修饰的是迭代器it，只能调用operator*(),调不了operator++()。
精确写法：想实现const迭代器，，必要再写一个const版本迭代器的类。
//用类封装const迭代器
template <class T>
struct __list_const_iterator
{
typedef list_node<T> node;
//用节点的指针进行构造
__list_const_iterator(node* p)
:_pnode(p)
{}
//迭代器运算符的重载
const T& operator*()const
{
return _pnode->_data;
}
__list_const_iterator<T>& operator++()//返回值不要写成node*，因为迭代器++肯定返回迭代器
{
//return _pnode->_next;//返回类型错误的
_pnode = _pnode->_next;
return *this;//返回的是迭代器
}
__list_const_iterator<T>& operator--()
{
_pnode = _pnode->_prev;
return *this;
}
bool operator!=(const __list_const_iterator<T>& it)const
{
return _pnode != it._pnode;
}
public:
node* _pnode;//封装一个节点的指针
};
typedef __list_const_iterator<T> const_iterator;
假如是这样子去实现的话，我们就会发现，这两个迭代器的实现并没有多大的区别，唯一的区别就在于operator*的差异。const迭代器和平凡迭代器的唯一区别就是平凡迭代器返回T&，可读可写，const迭代器返回const T&,可读不可写，上面的代码存在很大的问题：代码冗余，所以我们应该去解决这个问题：我们可以参考源码的实现：类模板参数解决这个问题，这也是迭代器的强大之处
//用类封装普通/const迭代器
template <class T,class Ref>
struct __list_iterator
{
typedef list_node<T> node;
typedef __list_iterator<T,Ref> Self;
//用节点的指针进行构造
__list_iterator(node* p)
:_pnode(p)
{}
//迭代器运算符的重载
Ref operator*()
{
return _pnode->_data;
}
Self& operator++()//返回值不要写成node*，因为迭代器++肯定返回迭代器啊，你返回节点指针类型不对
{
//return _pnode->_next;//返回类型错误的
_pnode=_pnode->_next;
return *this;//返回的是迭代器
}
Self& operator--()
{
_pnode = _pnode->_prev;
return *this;
}
bool operator!=(const Self& it)
{
return _pnode != it._pnode;
}
public:
node* _pnode;//封装一个节点的指针
};
typedef __list_iterator<T, T&> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&> const_iterator;
4、迭代器operator->的重载
迭代器的用法就是模仿指针的活动，假如现在有一个指向结构的指针，那么就必要用到->来解引用。
//*的重载：返回节点的数据
Ref operator*()
{
return _pnode->_data;
}
//->的重载：返回数据的指针
T* operator->()
{
return &_pnode->_data;
}
但是operator->利用T*做返回值范例，这样无论是平凡迭代器和const迭代器都能修改，所以operator->的返回值范例应该改为泛型：
template <class T, class Ref,class Ptr>
Ptr operator->()
{
return &_pnode->_data;
}
typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
5、迭代器价值
1、封装底层实现，不袒露底层实现的细节；
2、多种容器提供同一的访问方式，降低利用本钱；
C语言没有运算符重载和引用等语法，是实现不了迭代器的。
三、增删查改
1、insert和erase
insert：在pos位置上一个插入，返回插入位置的迭代器，对于list的insert迭代器不会失效，vector失效是因为扩容导致pos位置造成野指针问题。
iterator insert(iterator pos,const T& x)
{
node* newnode = new node(x);
node* cur = pos._pnode;
node* prev = cur->_prev;
newnode->_prev = prev;
prev->_next = newnode;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
++_size;
return iterator(newnode);
}
erase:这里的带头（哨兵位）头结点不可删除，返回值是删除位置的下一个，对于list的erase迭代器是失效的
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos != end());
node* prev = pos._pnode->_prev;
node* next = pos._pnode->_next;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete pos._pnode;
--_size;
return iterator(next);
}
2、push_back和push_front
void push_back(const T& x)
{
/*node* newnode = new node(x);
node* tail = _head->_prev;
newnode->_prev = tail;
tial->_next = newnode;
newnode->_next = _head;
_head->_prev = newnode;*/
insert(end(), x);
}
void push_front(const T& x)
{
insert(begin(), x);
}
3、pop_back和pop_front
尾删和头删，复用erase即可
void pop_front()
{
erase(begin());
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
四、list的构造函数
1、构造
默认构造：
list()
{
_head = new node(T());
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
_size = 0;
}
我们可以用empty_initialize()来封装初始化，方便复用，不用每次都写：
void empty_initialize()
{
_head = new node(T());
_head->_next = _head;
_head->_prev = _head;
_size = 0;
}
迭代器区间构造：
//迭代器区间构造
template <class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
empty_initialize();
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
拷贝构造：
传统写法
list(const list<T>& lt)
{
empty_initialize();
for (const auto& e : lt)
{
push_back(e);
}
}
用范围for举行尾插，但是要留意要加上&，范围for是*it赋值给给e，又是一个拷贝，e是T范例对象，依次取得容器中的数据，T假如是string范例，不断拷贝，push_back之后又烧毁。
现代写法
void swap(list<T>& lt)
{
std::swap(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
list(const list<T>& lt)
{
empty_initialize();
list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
swap(tmp);
}
2、赋值重载
传统写法
list<T>& operator=(list<T>& lt)
{
if (this != <)
{
clear();
for (const auto& e : lt)
{
push_back(e);
}
}
return *this;
}
现代写法
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
swap(lt);
return *this;
}
3、析构
对于list，有单独的clear()接口，list的析构可以直接复用clear()，同时还必要我们去开释掉头结点：
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
void clear()
{
iterator it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
类名和范例的区别
平凡类：类名等于范例
类模板：类名不等价于范例，例如list类模板类名是list,范例list等。
所以我们平常写函数形参和返回值时，总会带上形参和返回值的范例：
// 赋值运算符重载
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
swap(lt);
return *this;
}
五、list和vector的对比
1.vector
vector的优点（结构牛逼）：
1、支持下标的随机访问；
2、尾插尾删服从高（当然扩容的那一次尾插会较慢）；
3、CPU高速缓存掷中高（数据从缓存加载至CPU中，会加载一连的一段数据，vector因为结构一连，高速缓存掷中高）。
vector的缺点：
1、非尾插尾删服从低；
2、扩容有消耗，并存在一定的空间浪费。
vector迭代器失效问题：
insert/erase均失效。（假如string的insert和erase形参是迭代器，那么也会失效，但是大部分接口是下标传参，不考虑失效问题，只有几个接口是迭代器传参，必要留意迭代器失效问题）
2、list
list的优点：
1、按需申请开释，无需扩容；
2、恣意位置插入删除时间O(1)；（这里说的是插入删除，不要加上查找的时间）
list的缺点：
1、不支持下标的随机访问；
2、CPU高速缓存掷中率低；
3、每一个节点除了存储数据外，还必要额外存储两个指针。
vectorlist底 层 结 构动态顺序表，一段一连空间带头结点的双向循环链表随 机 访 问支持随机访问，访问某个元素服从O(1)不支持随机访问，访问某个元素服从O(N)插 入 和 删 除恣意位置插入和删除服从低，必要搬移元素，时间复杂度为O(N)，插入时有大概必要增容，增容：开辟新空间，拷贝元素，开释旧空间，导致服从更低恣意位置插入和删除服从高，不必要搬移元素，时间复杂度为O(1)空 间 利 用 率底层为一连空间，不轻易造成内存碎片，空间利用率高，缓存利用率高底层节点动态开辟，末节点轻易造成内存碎片，空间利用率低，缓存利用率低迭 代 器原生态指针对原生态指针(节点指针)举行封装迭 代 器 失 效在插入元素时，要给所有的迭代器重新赋值，因为插入元素有大概会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，删除时，当前迭代器必要重新赋值否则会失效插入元素不会导致迭代器失效，删除元素时，只会导致当前迭代器失效，其他迭代器不受影响使 用 场 景必要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除服从大量插入和删除利用，不关心随机访问 六、模仿实现list整体代码
namespace fx
{
// List的节点类
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode(const T& val = T())
:_val(val)
,_pPre(nullptr)
,_pNext(nullptr)
{}
ListNode<T>* _pPre;
ListNode<T>* _pNext;
T _val;
};
//List的迭代器类
template<class T, class Ref, class Ptr>
class ListIterator
{
typedef ListNode<T>* PNode;
typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
public:
ListIterator(PNode pNode = nullptr)
:_pNode(pNode)
{}
ListIterator(const Self& l)
{
_pNode = l._pNode;
}
Ref operator*()
{
return _pNode->_val
}
Ptr operator->()
{
}
Self& operator++()
{
return _pNode->_pNext;
}
Self operator++(int)
{
Self tmp(*this);
_pNode = _pNode->_pNext;
return tmp;
}
Self& operator--()
{
return _pNode->_pPre;
}
Self& operator--(int)
{
Self tmp(*this);
_pNode = _pNode->_pPre;
return tmp;
}
bool operator!=(const Self& l)
{
return _pNode != l._pNode;
}
bool operator==(const Self& l)
{
return _pNode == l._pNode;
}
private:
PNode _pNode;
};
//list类
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef Node* PNode;
public:
typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
public:
///
// List的构造
void CreateHead()
{
Node* _pHead = new Node;
_pHead->_pNext = _pHead;
_pHead->_pPre = _pHead;
_size = 0;
}
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();
wihle(first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
list(const list<T>& l)
{
CreateHead();
for (auto& e : lt)
{
push_back(e);
}
}
list<T>& operator=(const list<T> l)
{
swap(l);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
///
// List Iterator
iterator begin()
{
return _pHead->_pNext;
}
iterator end()
{
return _pHead;
}
const_iterator begin()
{
return _head->_next;
}
const_iterator end()
{
return _pHead;
}
///
// List Capacity
size_t size()const
{
return _size;
}
bool empty()const
{
return _size == 0;
}
// List Access
T& front()
{
return *begin();
}
const T& front()const
{
return *begin();
}
T& back()
{
return _head->_prev->_val;
}
const T& back()const
{
return _head->_prev->_val;
}
// List Modify
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* newnode = new Node;
Node* cur = pos._node;
Node* prev = cur->_prev;
newnode->_next = cur;
cur->_prev = newnode;
newnode->_prev = prev;
prev->_next = newnode;
++_size;
}
// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos)
{
assert(pos != end());
Node* prev = pos._node->_prev;
Node* next = pos._node->_next;
prev->_next = next;
next->_prev = prev;
delete pos._node;
--_size;
}
void clear()
{
auto it = begin();
while (it != end())
{
it = erase(it);
}
}
void swap(list<T>& l)
{
std::swap(_head, lt._head);
std::swap(_size, lt._size);
}
private:
PNode _pHead;
size_t _size;
};
};
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