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C++ list模拟实现

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示意图:

迭代器

正向迭代器类

我们之前所理解的是:迭代器理解为像指针一样的东西,但是在list中有些不同

// 迭代器逻辑
while(it!=l.end())
{
	*it; // 解引用取数据
	++it;// 自加到达下一个位置
}

我们可以来观察一下STL源码中大佬是怎么封装的:

我们可以看到,只有一个成员,那就是一个结点的指针node,link_type又是一个自定义类型的指针,我们原生类型的指针在vector或者string中是可以直接typedef成为迭代器的,但是list底层是双链表,数据结构并非连续的,所以直接*it或者++it是不能够完成迭代器的任务的,但是C++中支持对于自定义类型的运算符重载,我们可以对解引用和自加两个运算符重载。

++it:就是当前指针存放下一个结点的地址

*it:解引用当前节点,取出值来

迭代器中,拷贝构造、运算符赋值重载、析构都不需要自己实现,使用默认生成的即可(即浅拷贝),因为迭代器是用自定义类型的指针封装的,访问修改链表,节点属于链表,不属于迭代器,所以不用管它。

我们在传入const版本的list时,list是const对象,需要的是const_iterator,这里会出现错误,不能将const的list的迭代器传给普通迭代器。如下所示例子:

void print_list(const list<int>& lt)
{
	// lt.begin()是const迭代器(只可读)
	// it是普通迭代器(可读可写)
	list<int>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
}

现在我们如何实现一个const的迭代器呢?

意思就是只可以读不能够写。可以++- -*解引用,但是解引用时不能修改数据。

可以想到这种写法:

const T& operator*()const
{
	return _node->_data;
}
T& operator*()
{
	return _node->_data;
}

但是并不是迭代器是const的,而是我们传入的list容器是const版本的。

我们可以将写一个const_iterator 的类版本,这样普通迭代器和const迭代器就不是一个类型了,是两个不同的类型了,这样会造成代码冗余。

template<class T>
struct __const_list_iterator
{
	//...
	// __list_iterator全部替换为__const_list_iterator
};

优化:

增加一个模板参数class Ref

这样第一个模板参数都是T,我们可以根据传入的第二个参数来推出时T&还是const T&,本来我们是要实现两个类的,现在只需要增加一个模板参数即可,这里体现出了C++泛型的优势!

迭代器我们说,它是像指针一样的东西,如果它是指向的一个结构体,需要用它的成员变量,我们还需要重载->箭头

struct Date {
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Date(int year = 0, int month = 0, int day = 0)
	//这里要给默认参数,因为需要构建一个哨兵位头结点
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
};
void test_list2()
{
	list<Date> lt;
	lt.push_back(Date(2022, 1, 1));
	lt.push_back(Date(2022, 1, 2));
	lt.push_back(Date(2022, 1, 3));
	lt.push_back(Date(2022, 1, 4));
	// 现在来遍历日期类
	list<Date>::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end())
	{
		cout << (*it)._year << "/" << (*it)._month << "/" << (*it)._day << endl;
		++it;
	}
	cout << endl;
}

这里的*解引用然后再去.,我们可以重载->,让他可以去调用结构体的成员,这样更加快捷高效方便。

T* operator->()
{
	return &(_node->_data);
}

进一步解释:

*it调用operator*,返回一个结点对象,对象再.操作,拿到数据

it->调用operator->,返回对象的指针,(这里返回的是原生指针)再通过->调用用结构体成员,这里实际上应该是it->->_year,但是这样写,可读性很差,所以编译器做了一个优化,省略了一个->,所以所有的类型只要想要重载->,都会这样优化省略一个->

这里又会衍生出一个问题,那就是如果使用const_iterator,使用->也会修改数据,所以再增加一个模板参数

// 正向迭代器类
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
	typedef	ListNode<T> Node;
	typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;// 再次typedef,方便后续的修改
	Node* _node;
	__list_iterator(Node* x)// 迭代器的实质,就是自定义类型的指针
		:_node(x)
	{}
	// ++it 返回++之后的引用对象
	self& operator++()
	{
		_node = _node->_next;
		return *this;
	}
	// it++ 返回++之前的对象
	self operator++(int)
	{
		self  tmp(this);
		_node = _node->_next;
		return tmp;
	}
	// --it 
	self& operator--()
	{
		_node = _node->_prev;
		return *this;
	}
	// it-- 
	self operator--(int)
	{
		self tmp(this);
		_node = _node->_prev;
		return tmp;
	}
	// 返回引用,可读可写
	Ref operator*()
	{
		return _node->_data;
	}
	// 返回对象的指针
	Ptr operator->()
	{
		return &(_node->_data);
	}
	bool operator!=(const self& it)const
	{
		return _node != it._node;
	}
	bool operator==(const self& it)const
	{
		return _node == it._node;
	}
};

反向迭代器类

实质:对于正向迭代器的一种封装

反向迭代器跟正想迭代器区别就是++,- -的方向是相反的

所以反向迭代器封装正向迭代器即可,重载控制++,- -的方向

#pragma once
// reverse_iterator.h
namespace sjj 
{
	template <class Iterator, class Ref, class Ptr>
	class reverse_iterator
	{
		typedef reverse_iterator<Iterator,Ref,Ptr> self;
	public:
		reverse_iterator(Iterator it)
			:_it(it)
		{}
		// 比较巧妙,解引用取的是当前位置的前一个位置的数据
		// operator*取前一个位置, 主要就是为了让反向迭代器开始和结束跟正向迭代器对称
		Ref operator *()
		{
			Iterator tmp = _it;
			return *--tmp;
		}
		Ptr operator->()
		{
			return &(operator*());
		}
		self& operator++()
		{
			--_it;
			return *this;
		}
		self operator++(int)
		{
			self tmp = *this;
			--_it;
			return tmp;
		}
		self& operator--()
		{
			++_it;
			return *this;
		}
		self operator--(int)
		{
			self tmp = *this;
			++_it;
			return tmp;
		}
		bool operator!=(const self& rit)
		{
			return _it != rit._it;
		}
		bool operator==(const self& rit)
		{
			return _it == rit._it;
		}
	private:
		Iterator _it;
	};
}

push_back尾插函数

void push_back(const T& x)
{
	// 先找尾记录
	/*Node* tail = _head->_prev;
	Node* newnode = new Node(x);
	tail->_next = newnode;
	newnode->_prev = tail;
	_head->_prev = newnode;
	newnode->_next = _head;
	tail = tail->_next;*/
	// 复用insert函数
	insert(end(), x);
}

push_front头插函数

// 头插
void push_front(const T& x)
{
	// 复用insert函数
	insert(begin(), x);
}

insert插入函数

// 在pos位置前插入
iterator insert(iterator pos, const T& x)
{
	Node* cur = pos._node;
	Node* prev = cur->_prev;
	Node* newnode = new Node(x);
	prev->_next = newnode;
	newnode->_prev = prev;
	newnode->_next = cur;
	cur->_prev = newnode;
	return iterator(newnode);// 返回新插入结点位置的迭代器
}

注意:这里list的insert函数,pos位置的迭代器不会失效,因为pos指向的位置不会改变,vector中迭代器失效的原因是因为挪动数据,导致指向的位置的数据发生变化。

erase删除函数

iterator erase(iterator pos)
{
	assert(pos != end());//不能将哨兵位的头结点给删除了
	Node* prev = pos._node->_prev;
	Node* next = pos._node->_next;
	delete pos._node;
	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;
	return iterator(next);// 返回pos位置的下一个位置的迭代器
}

注意:这里的pos位置的迭代器一定会失效,因为都已经将结点给删除了。

pop_front函数

// 复用erase函数
void pop_front()
{
	erase(begin());
}

pop_back函数

// 复用erase函数
void pop_back()
{
	erase(--end());
}

构造函数

list()
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
}
// 函数模板,用迭代器区间进行初始化
template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		++first;
	}
}
list(size_t n, const T& val = T())
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
	{
		push_back(val);
	}
}

注意:

这两个构造函数一起使用可能会存在问题,填充版本和构造器版本可能会存在冲突,如下例子:

struct Date {
	int _year;
	int _month;
	int _day;
	Date(int year = 0, int month = 0, int day = 0)//这里要给默认参数,因为有一个哨兵位头结点需要初始化
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
};
void test_list4()
{
	list<Date> lt1(5, Date(2022, 9, 9));
	for (auto e : lt1)
	{
		cout << e._year << "/" << e._month << "/" << e._day << endl;
	}
	cout << endl;

	list<int> lt2(5, 1);
	for (auto e : lt2)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

对于这两个:在实例化时会调用更加匹配的构造函数初始化

list lt1(5, Date(2022, 9, 9))它会正常调用list(size_t n, const T& val = T())

list lt2(5, 1)而它会将5和1推演成两个int,进而去匹配这个迭代器版本的构造函数

template < class InputIterator> list(InputIterator first, InputIterator last),但是与我们的本意,用n个val初始化原意相背,而其中有个*first,这里int去解引用必会报错

改进:再多提供第一个参数是int重载版本的list(int n, const T& val = T())构造函数

list(int n, const T& val = T())
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
	{
		push_back(val);
	}
}

析构函数

~list()
{
	clear();
	// 析构与clear不同,要将哨兵位头结点给删除了
	delete _head;
	_head = nullptr;
}

list拷贝构造函数

浅拷贝会崩溃的原因是,同一块空间被析构了两次,所以我们要完成深拷贝

传统写法

// 传统写法
// lt2(lt1)
list(const list<T>& lt)
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	for (auto e : lt)
	{
		push_back(e);
	}
}

注意: 因为要调用push_back函数,push_back的前提是这个链表(lt2)已经被初始化了,所以必须要先搞一个哨兵位头结点,不然会崩溃

现代写法

// 函数模板
template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		++first;
	}
}
// lt2(lt1)
list(const list<T>& lt)
{
	_head = new Node();
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());
	std::swap(_head, tmp._head);
}

注意:lt2需要一个哨兵位头结点

list赋值重载函数

传统写法

// lt2=lt1
list<T>& operator=(const list<T>& lt)
{
	if (this != lt)
	{
		clear();		 // 将lt2清空
		for (auto e : lt)// 再将值全部拷贝过去
		{
			push_back(e);
		}
	}
	return *this;
}

现代写法

// 现代写法
list<T>& operator=(list<T> lt)
{
	std::swap(_head, lt._head);
	return *this;
}

其他函数

// 清空
void clear()
{
	/*
	iterator it = begin();
	while (it!=end())
	{
		iterator del = it++;// 利用后置++,返回加加前的迭代器
		delete del._node;
	}
	// 最后剩下哨兵位头结点
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;
	*/
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		erase(it++); // 也可以复用erase,it++返回加加之前的值
	}
}

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