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C++ stl容器list的底层模拟实现

C++ stl容器list的底层模拟实现

目录

前言:

1.创建节点

2.普通迭代器的封

3.反向迭代器的封装

为什么要对正向迭代器进行封装?

4.const迭代器

5.构造函数

6.拷贝构造

7.赋值重载

8.insert

9.erase

10.析构

11.头插头删,尾插尾删

12.完整代码+简单测试

总结:


前言:

模拟实现list,本篇的重点就是由于list是一个双向循环链表结构,所以我们对迭代器的实现不能是简单的指针的++,--了,因为我们知道,链表的存储不一定是连续的,所以直接++,--是链接不起来节点的,所以我们要对迭代器也就是对节点的指针进行封装。结尾会附上完整的代码。

1.创建节点

  1. template<class T>
  2. struct list_node
  3. {
  4. list_node<T>* _prev;
  5. list_node<T>* _next;
  6. T _data;
  7. list_node(const T& x= T())//这里不给缺省值可能会因为没有默认构造函数而编不过
  8. :_prev(nullptr)
  9. ,_next(nullptr)
  10. ,_data(x)
  11. {}
  12. };

注意给缺省值,这样全缺省就会被当做默认构造了,不会因为没有默认构造而报错。

我们实现的list是带哨兵位的,它同时是迭代器的end()(因为是双向循环的list)。

2.普通迭代器的封装

  1. template<class T,class Ref,class Ptr>
  2. struct _list_iterator
  3. {
  4. typedef list_node<T> node;
  5. typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
  6. node* _node;//对迭代器也就是节点的指针进行封装,因为list迭代器是不能直接++的
  7. _list_iterator(node* n)
  8. :_node(n)
  9. {}
  10. Ref operator*()//返回的必须是引用,不然改变不了外面的对象的成员,要支持对自己解引用改变值就要用应用
  11. {
  12. return _node->_data;
  13. }
  14. Ptr operator->()
  15. {
  16. return &(_node->_data);//返回地址,再解引用直接访问数据
  17. }
  18. self& operator++()
  19. {
  20. _node = _node->_next;
  21. return *this;
  22. }
  23. self operator++(int)
  24. {
  25. self tmp(*this);//默认的拷贝构造可以,因为没有深拷贝
  26. _node = _node->_next;
  27. return tmp;
  28. }
  29. self& operator--()
  30. {
  31. _node = _node->_prev;
  32. return *this;
  33. }
  34. self operator--(int)
  35. {
  36. self tmp(*this);
  37. _node = _node->_prev;
  38. return tmp;
  39. }
  40. bool operator!=(const self& s)
  41. {
  42. return _node != s._node;
  43. }
  44. bool operator==(const self& s)
  45. {
  46. return _node == s._node;
  47. }
  48. };

注意list是双向迭代器,可以++,--,不能+,-

这里对迭代器的实现就如我们开始所说的, 迭代器的实现就是使用节点的指针实现的,而我们不能直接对list创建出的节点进行++,--,所以要进行一层封装;然后再对节点指针初始化。

重载解引用时要注意返回的是引用,不然对自己解引用的时候,返回值如果是临时的,是改变不了内部的data的。

对于箭头的解引用,是为了支持这样的场景:

  1. struct AA
  2. {
  3. int _a1;
  4. int _a2;
  5. AA(int a1=0,int a2=0)
  6. :_a1(a1)
  7. ,_a2(a2)
  8. {}
  9. };
  10. void test_list2()
  11. {
  12. list<AA> lt;
  13. lt.push_back(AA(1,1));
  14. lt.push_back(AA(2, 2));
  15. lt.push_back(AA(3, 3));
  16. list<AA>::iterator it = lt.begin();
  17. while (it != lt.end())
  18. {
  19. //cout << (*it)._a1 << " "<<(*it)._a2<<endl;
  20. cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;//面对这样的类型,需要重载->,.也可以访问,但是有点别扭
  21. ++it;
  22. }
  23. cout << endl;
  24. }

迭代器遇到箭头,返回对象的地址也就是节点数据的地址,再解引用找到成员。或者说node中的data就是存放的是对象(也就是用来初始化的数据),然后重载的->拿到对象的地址,再->去访问里面的成员变量_a1。

对于前置后置++与--,前置就返回对象的引用,是传引用返回;后置需要进行拷贝给一个临时的对象,再对调用对象++--,返回的是tmp也就是没有改变的对象,是传值返回。注意区分前置后置,后置要加上参数int。

3.反向迭代器的封装

  1. namespace my_iterator
  2. {
  3. template<class Iterator,class Ref,class Ptr>
  4. struct ReverseIterator
  5. {
  6. typedef ReverseIterator<Iterator,Ref,Ptr> self;
  7. Iterator _cur;
  8. ReverseIterator(Iterator it)
  9. :_cur(it)
  10. {}
  11. Ref operator*()
  12. {
  13. Iterator tmp = _cur;//因为要--,而解引用是不能改值的,所以用tmp改并返回
  14. --tmp;
  15. return *tmp;
  16. }
  17. Ptr operator->()
  18. {
  19. return &operator*();//&this->operator*()
  20. }
  21. self operator++()
  22. {
  23. --_cur;//直接的++--就能直接改了,所以可以直接返回原对象,--(this->_cur)
  24. return *this;
  25. }
  26. self operator--()
  27. {
  28. ++_cur;
  29. return *this;
  30. }
  31. bool operator!=(const self& s)
  32. {
  33. return _cur != s._cur;
  34. }
  35. };
  36. }

第一个模版参数就是任意类型的迭代器区间,因为我们实现反向迭代器需要现有正向迭代器。

一样的不能直接++--,所以进行一层封装,此时_cur就指向传的迭代器的位置。

对解引用的重载一样是要返回引用,不然返回的是一个临时的变量对自己解引用就没用了,也只有返回的是引用才能修改。例如我们要传的是begin(),那反向迭代器就应该从哨兵位开始,所以要先对传过来的迭代器进行--。

箭头就是返回当前位置迭代器的地址,所以是直接复用上面的。

++--与正向的迭代器相反,而_cur的类型就是传过来的迭代器类型,++--会调用传过来迭代器类型的重载。

为什么要用正向迭代器对反向迭代器进行封装?

对于list的正向迭代器,使用节点的指针进行封装,供自己使用,这没问题。

但是用list的节点的指针封装反向迭代器,这样只有list自己能用(而实际库中的反向迭代器可以是用其它容器的正向迭代器初始化的),像vector的迭代器就是原生指针,就不能用了。

如果list反向迭代器是对正向迭代器的封装,这样其它容器的正向迭代器就可以用来初始化list的反向迭代器了。

4.const迭代器

  1. typedef list_node<T> node;
  2. public:
  3. typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;
  4. typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
  5. typedef ReverseIterator<iterator,T&,T*> reverse_iterator;
  6. typedef ReverseIterator<iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;
  7. const_iterator begin() const//本身const迭代器是让迭代器指向的内容不能修改,但是这样用const修饰迭代器本身也不能修改了
  8. {
  9. return const_iterator(_head->_next);
  10. }
  11. const_iterator end() const
  12. {
  13. return const_iterator(_head);
  14. }

 提供const版本,供const修饰的对象调用,防止权限的放大。

那为什么提供完const版本了,const版本已经可以供普通迭代器与const迭代器使用,还单独提出来这个版本?和因为const迭代器还需要迭代器也就是节点指针指向的内容不能修改。例如it是const类型迭代器的对象,*it就可以,++it也可以,但是(*it)++就不可以。

5.构造函数

  1. void empty_Init()
  2. {
  3. _head = new node;
  4. _head->_next = _head;
  5. _head->_prev = _head;
  6. }
  7. list()
  8. {
  9. empty_Init();
  10. }
  11. template<class Iterator>
  12. list(Iterator first, Iterator end)
  13. {
  14. empty_Init();//别忘加上哨兵位,没有哨兵位识别不了end
  15. while (first != end)
  16. {
  17. push_back(*first);
  18. first++;//这里的++first会调用重载的,因为传过来的是一个迭代器
  19. }
  20. }

哨兵位是空的,不放数据,但是哨兵位是正向迭代器的end,要加上。

默认无参构造就只有哨兵位,提供的迭代器的构造也要有哨兵位。

first++不用担心,first是迭代器类型的,所以会调用迭代器的++。 

6.拷贝构造

  1. //传统的拷贝构造
  2. //list(const list<T>& lt)
  3. //{
  4. // empty_Init();
  5. // for (auto e : lt)
  6. // {
  7. // push_back(e);//this->push_back(e)
  8. // }
  9. //}
  10. void swap(list<T>& tmp)//要使用库中的swap,而库中的swap就不带const;况且交换的是头节点,const修饰的就不能修改指向
  11. {
  12. std::swap(_head, tmp._head);
  13. }
  14. //现代的拷贝构造
  15. list(const list<T>& lt)
  16. {
  17. empty_Init();
  18. list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());//为什么还要多一个变量,因为下面swap的参数没有const,而拷贝构造要加const
  19. swap(tmp);//this->swap(tmp)
  20. }

拷贝构造,直接使用库中的swap,交换头节点也就是哨兵位的指向就行,因为链表后面的关系都通过头节点找到,所以也就相当于都交换了。

注意库中swap的参数:

7.赋值重载

  1. list<T>& operator=(list<T> lt)//参数不能使用引用,使用引用再使用swap交换,原来赋值的值就被改了
  2. {
  3. swap(lt);
  4. return *this;
  5. }

一样是使用库中的swap,但是赋值的参数不能是引用,例如L1=L3,用引用再加上使用swap交换头节点的指向,L3就被改了,我们要求的是赋值是不能改变赋过来的对象的,内置类型也是(a=b)。 

8.insert

  1. void insert(iterator pos,const T& x)
  2. {
  3. node* cur = pos._node;
  4. node* prev = cur->_prev;
  5. node* newnode = new node(x);
  6. prev->_next = newnode;
  7. newnode->_prev = prev;
  8. newnode->_next = cur;
  9. cur->_prev = newnode;
  10. }

链接节点即可,注意插入的值可能是任意类型,所以要用模版参数并且带上const与引用,防止是内置类型的值是const,传过来权限放大。

插入pos位置,也就是在pos前和pos位置之间插入。 

9.erase

  1. iterator erase(iterator pos)
  2. {
  3. assert(pos != end());
  4. node* cur = pos._node;
  5. node* prev = cur->_prev;
  6. node* next = cur->_next;
  7. prev->_next = next;
  8. next->_prev = prev;
  9. delete pos._node;
  10. return iterator(next);
  11. }

注意删除完返回删除数据的下一个迭代器位置。

删除就是找前找后,删除节点,链接前后。

_node是new出来的,注意配套使用。

10.析构

  1. void clear()
  2. {
  3. iterator it = begin();
  4. while (it != end())
  5. {
  6. it= erase(it);//删除后返回的是下一个数据的位置,所以循环就走起来了
  7. }
  8. }
  9. ~list()
  10. {
  11. clear();
  12. delete _head;
  13. _head = nullptr;
  14. }

注意迭代器的erase删除后返回的是删除数据的下一个迭代器位置,所以用it接收就不怕迭代器失效了,同时循环也走起来了。 

11.头插头删,尾插尾删

  1. void push_back(const T& x)
  2. {
  3. /*node* tail = _head->_prev;
  4. node* newnode = new node(x);
  5. tail->_next = newnode;
  6. newnode->_prev = tail;
  7. _head->_prev = newnode;
  8. newnode->_next = _head;*/
  9. insert(end(), x);
  10. }
  11. void push_front(const T& x)
  12. {
  13. insert(begin(),x);
  14. }
  15. void pop_back()
  16. {
  17. erase(--end());
  18. }
  19. void pop_front()
  20. {
  21. erase(begin());
  22. }

直接复用即可。 

12.完整代码+简单测试

封装的反向迭代器: 

  1. #pragma once
  2. namespace my_iterator
  3. {
  4. template<class Iterator,class Ref,class Ptr>
  5. struct ReverseIterator
  6. {
  7. typedef ReverseIterator<Iterator,Ref,Ptr> self;
  8. Iterator _cur;
  9. ReverseIterator(Iterator it)
  10. :_cur(it)
  11. {}
  12. Ref operator*()
  13. {
  14. Iterator tmp = _cur;//因为要--,而解引用是不能改值的,所以用tmp改并返回
  15. --tmp;
  16. return *tmp;
  17. }
  18. Ptr operator->()
  19. {
  20. return &operator*();
  21. }
  22. self operator++()
  23. {
  24. --_cur;//直接的++--就能直接改了,所以可以直接返回原对象
  25. return *this;
  26. }
  27. self operator--()
  28. {
  29. ++_cur;
  30. return *this;
  31. }
  32. bool operator!=(const self& s)
  33. {
  34. return _cur != s._cur;
  35. }
  36. };
  37. }
  1. #pragma once
  2. #include "my_iterator.h"
  3. #include <iostream>
  4. #include <assert.h>
  5. #include <list>
  6. using namespace my_iterator;
  7. using namespace std;
  8. namespace my_list
  9. {
  10. template<class T>
  11. struct list_node
  12. {
  13. list_node<T>* _prev;
  14. list_node<T>* _next;
  15. T _data;
  16. list_node(const T& x= T())//这里不给缺省值可能会因为没有默认构造函数而编不过
  17. :_prev(nullptr)
  18. ,_next(nullptr)
  19. ,_data(x)
  20. {}
  21. };
  22. template<class T,class Ref,class Ptr>
  23. struct _list_iterator
  24. {
  25. typedef list_node<T> node;
  26. typedef _list_iterator<T, Ref, Ptr> self;
  27. node* _node;//对迭代器也就是节点的指针进行封装,因为list迭代器是不能直接++的
  28. _list_iterator(node* n)
  29. :_node(n)
  30. {}
  31. Ref operator*()//返回的必须是引用,不然改变不了外面的对象的成员,要支持对自己解引用改变值就要用应用
  32. {
  33. return _node->_data;
  34. }
  35. Ptr operator->()
  36. {
  37. return &(_node->_data);//返回地址,再解引用直接访问数据
  38. }
  39. self& operator++()
  40. {
  41. _node = _node->_next;
  42. return *this;
  43. }
  44. self operator++(int)
  45. {
  46. self tmp(*this);//默认的拷贝构造可以,因为没有深拷贝
  47. _node = _node->_next;
  48. return tmp;
  49. }
  50. self& operator--()
  51. {
  52. _node = _node->_prev;
  53. return *this;
  54. }
  55. self operator--(int)
  56. {
  57. self tmp(*this);
  58. _node = _node->_prev;
  59. return tmp;
  60. }
  61. bool operator!=(const self& s)
  62. {
  63. return _node != s._node;
  64. }
  65. bool operator==(const self& s)
  66. {
  67. return _node == s._node;
  68. }
  69. };
  70. template<class T>
  71. class list
  72. {
  73. typedef list_node<T> node;
  74. public:
  75. typedef _list_iterator<T, T&, T*> iterator;
  76. typedef _list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
  77. typedef ReverseIterator<iterator,T&,T*> reverse_iterator;
  78. typedef ReverseIterator<iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;
  79. void empty_Init()
  80. {
  81. _head = new node;
  82. _head->_next = _head;
  83. _head->_prev = _head;
  84. }
  85. list()
  86. {
  87. empty_Init();
  88. }
  89. template<class Iterator>
  90. list(Iterator first, Iterator end)
  91. {
  92. empty_Init();//别忘加上哨兵位,没有哨兵位识别不了end
  93. while (first != end)
  94. {
  95. push_back(*first);
  96. first++;//这里的++first会调用重载的,因为传过来的是一个迭代器
  97. }
  98. }
  99. //传统的拷贝构造
  100. //list(const list<T>& lt)
  101. //{
  102. // empty_Init();
  103. // for (auto e : lt)
  104. // {
  105. // push_back(e);//this->push_back
  106. // }
  107. //}
  108. void swap(list<T>& tmp)//要使用库中的swap,而库中的swap就不带const;况且交换的是头节点,const修饰的就不能修改指向
  109. {
  110. std::swap(_head, tmp._head);
  111. }
  112. //现代的拷贝构造
  113. list(const list<T>& lt)
  114. {
  115. empty_Init();
  116. list<T> tmp(lt.begin(), lt.end());//为什么还要多一个变量,因为下面swap的参数没有const,而拷贝构造要加const
  117. swap(tmp);//this->swap(tmp)
  118. }
  119. list<T>& operator=(list<T> lt)//参数不能使用引用,使用引用再使用swap交换,原来赋值的值就被改了
  120. {
  121. swap(lt);
  122. return *this;
  123. }
  124. void clear()
  125. {
  126. iterator it = begin();
  127. while (it != end())
  128. {
  129. it= erase(it);//删除后返回的是下一个数据的位置,所以循环就走起来了
  130. }
  131. }
  132. ~list()
  133. {
  134. clear();
  135. delete _head;
  136. _head = nullptr;
  137. }
  138. iterator begin()
  139. {
  140. return iterator(_head->_next);
  141. }
  142. iterator end()
  143. {
  144. return iterator(_head);//哨兵位就是end
  145. }
  146. const_iterator begin() const//本身const迭代器是让迭代器指向的内容不能修改,但是这样用const修饰迭代器本身也不能修改了
  147. {
  148. return const_iterator(_head->_next);
  149. }
  150. const_iterator end() const
  151. {
  152. return const_iterator(_head);
  153. }
  154. reverse_iterator rbegin()
  155. {
  156. return reverse_iterator(end());
  157. }
  158. reverse_iterator rend()
  159. {
  160. return reverse_iterator(begin());
  161. }
  162. void push_back(const T& x)
  163. {
  164. /*node* tail = _head->_prev;
  165. node* newnode = new node(x);
  166. tail->_next = newnode;
  167. newnode->_prev = tail;
  168. _head->_prev = newnode;
  169. newnode->_next = _head;*/
  170. insert(end(), x);
  171. }
  172. void push_front(const T& x)
  173. {
  174. insert(begin(),x);
  175. }
  176. void pop_back()
  177. {
  178. erase(--end());
  179. }
  180. void pop_front()
  181. {
  182. erase(begin());
  183. }
  184. void insert(iterator pos,const T& x)
  185. {
  186. node* cur = pos._node;
  187. node* prev = cur->_prev;
  188. node* newnode = new node(x);
  189. prev->_next = newnode;
  190. newnode->_prev = prev;
  191. newnode->_next = cur;
  192. cur->_prev = newnode;
  193. }
  194. iterator erase(iterator pos)
  195. {
  196. assert(pos != end());
  197. node* cur = pos._node;
  198. node* prev = cur->_prev;
  199. node* next = cur->_next;
  200. prev->_next = next;
  201. next->_prev = prev;
  202. delete pos._node;
  203. return iterator(next);
  204. }
  205. private:
  206. node* _head;
  207. };
  208. void print_list(const list<int>& lt)
  209. {
  210. list<int>::const_iterator it = lt.begin();//不能直接这样写,传递过来的this指针也是const list<int>*,权限放大了,要提供const版本
  211. while (it != lt.end())
  212. {
  213. cout << *it << " ";
  214. ++it;
  215. }
  216. cout << endl;
  217. }
  218. void test_list1()
  219. {
  220. list<int> lt;
  221. lt.push_back(1);
  222. lt.push_back(2);
  223. lt.push_back(3);
  224. lt.push_back(4);
  225. list<int>::iterator it = lt.begin();//=调用默认的拷贝构造,是浅拷贝,但是可以,让it也指向begin的位置
  226. while (it != lt.end())
  227. {
  228. cout << *it << " ";
  229. ++it;
  230. }
  231. cout << endl;
  232. for (auto e : lt)
  233. {
  234. cout << e << " ";
  235. }
  236. cout << endl;
  237. print_list(lt);
  238. }
  239. struct AA
  240. {
  241. int _a1;
  242. int _a2;
  243. AA(int a1 = 0, int a2 = 0)
  244. :_a1(a1)
  245. , _a2(a2)
  246. {}
  247. };
  248. void test_list2()
  249. {
  250. list<AA> lt;
  251. lt.push_back(AA(1, 1));
  252. lt.push_back(AA(2, 2));
  253. lt.push_back(AA(3, 3));
  254. list<AA>::iterator it = lt.begin();
  255. while (it != lt.end())
  256. {
  257. //cout << (*it)._a1 << " "<<(*it)._a2<<endl;
  258. cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;//面对这样的类型,需要重载->,.也可以访问,但是有点别扭
  259. ++it;
  260. }
  261. cout << endl;
  262. }
  263. void test_list3()
  264. {
  265. list<int> lt;
  266. lt.push_back(1);
  267. lt.push_back(2);
  268. lt.push_back(3);
  269. lt.push_back(4);
  270. auto pos = lt.begin();
  271. ++pos;
  272. lt.insert(pos, 20);
  273. for (auto e : lt)
  274. {
  275. cout << e << " ";
  276. }
  277. cout << endl;
  278. lt.push_back(100);
  279. lt.push_front(1000);
  280. for (auto e : lt)
  281. {
  282. cout << e << " ";
  283. }
  284. cout << endl;
  285. lt.pop_back();
  286. lt.pop_front();
  287. for (auto e : lt)
  288. {
  289. cout << e << " ";
  290. }
  291. cout << endl;
  292. }
  293. void test_list4()
  294. {
  295. list<int> lt;
  296. lt.push_back(1);
  297. lt.push_back(2);
  298. lt.push_back(3);
  299. lt.push_back(4);
  300. for (auto e : lt)
  301. {
  302. cout << e << " ";
  303. }
  304. cout << endl;
  305. lt.clear();
  306. for (auto e : lt)
  307. {
  308. cout << e << " ";
  309. }
  310. cout << endl;
  311. lt.push_back(1);
  312. lt.push_back(2);
  313. lt.push_back(3);
  314. lt.push_back(40);
  315. for (auto e : lt)
  316. {
  317. cout << e << " ";
  318. }
  319. cout << endl;
  320. }
  321. void test_list5()
  322. {
  323. list<int> lt;
  324. lt.push_back(1);
  325. lt.push_back(2);
  326. lt.push_back(3);
  327. lt.push_back(4);
  328. for (auto e : lt)
  329. {
  330. cout << e << " ";
  331. }
  332. cout << endl;
  333. list<int> lt2(lt);
  334. for (auto e : lt2)
  335. {
  336. cout << e << " ";
  337. }
  338. cout << endl;
  339. list<int> lt3;
  340. lt3.push_back(10);
  341. lt3.push_back(20);
  342. lt3.push_back(30);
  343. for (auto e : lt3)
  344. {
  345. cout << e << " ";
  346. }
  347. cout << endl;
  348. lt2 = lt3;
  349. for (auto e : lt2)
  350. {
  351. cout << e << " ";
  352. }
  353. cout << endl;
  354. }
  355. void test_list6()
  356. {
  357. list<int> lt;
  358. lt.push_back(1);
  359. lt.push_back(2);
  360. lt.push_back(3);
  361. lt.push_back(4);
  362. list<int>::iterator it = lt.begin();//=调用默认的拷贝构造,是浅拷贝,但是可以,让it也指向begin的位置
  363. while (it != lt.end())
  364. {
  365. (*it) *= 2;
  366. cout << *it << " ";
  367. ++it;
  368. }
  369. cout << endl;
  370. list<int>::reverse_iterator rit = lt.rbegin();
  371. while (rit != lt.rend())
  372. {
  373. cout << *rit << " ";
  374. ++rit;
  375. }
  376. cout << endl;
  377. /*for (auto e : lt)
  378. {
  379. cout << e << " ";
  380. }
  381. cout << endl;
  382. print_list(lt);*/
  383. }
  384. }

总结:

重点在迭代器与反向迭代器的的封装,其它的内容与其它的容器大致相同。

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