【C++】STL---list
STL---list
- 一、list 的介绍
- 二、list 的模拟实现
- 1. list 节点类
- 2. list 迭代器类
- (1)前置++
- (2)后置++
- (3)前置- -、后置- -
- (4)!= 和 == 运算符重载
- (5)* 解引用重载 和 -> 重载
- 3. list 类
- (1)迭代器
- (2)修改相关的接口
- swap()
- insert()
- erase()
- push_back、push_front、pop_back、pop_front
- clear()
- (3)空链表初始化
- (4)构造函数
- (5)拷贝构造函数
- (6)赋值运算符重载
- (7)析构函数
- 4. 打印容器的接口
- (1)打印链表整型的接口
- (2)打印 list 的接口
- (3)打印容器的接口
一、list 的介绍
- list 是可以在常数范围内在任意位置进行插入和删除的序列式容器,并且该容器可以前后双向迭代。
- list 的底层是双向链表结构,双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中,在节点中通过指针指向其前一个元素和后一个元素。
- list 与 forward_list 非常相似:最主要的不同在于 forward_list 是单链表,只能朝前迭代,已让其更简单高效。
- 与其他的序列式容器相比(array,vector,deque),list通常在任意位置进行插入、移除元素的执行效率更好。
- 与其他序列式容器相比,list 和 forward_list 最大的缺陷是不支持任意位置的随机访问,比如:要访问 list 的第6个元素,必须从已知的位置(比如头部或者尾部)迭代到该位置,在这段位置上迭代需要线性的时间开销;list 还需要一些额外的空间,以保存每个节点的相关联信息(对于存储类型较小元素的大 list 来说这可能是一个重要的因素)。
二、list 的模拟实现
list 学习时也要学会查看文档:list 文档介绍,在实际中我们熟悉常见的接口就可以,下面我们直接开始模拟实现,在模拟实现中我们实现的是常见的接口,并且会在实现中讲解它们的使用以及注意事项。
首先跟以往不一样的是,list 是一个个节点连接起来的,所以它不是连续的物理空间,这也就意味着,它不用扩容,每次插入的时候只需要申请一个节点,然后连接起来即可;
其次,list 底层的迭代器实现也跟 string和 vector 不一样,它们两个的迭代器可以说是原生指针,但是 list 的迭代器是要让节点指向下一个节点,所以底层实现也不一样;例如我们想让迭代器 it,往后迭代,就是 ++it,但是底层的实现却不是真的让节点++,因为它们的空间不是连续的,所以我们要把 list 迭代器封装成一个类。
首先我们先创建一个自己的命名空间,把 list 节点的类,list 迭代器的类,list 类都放进去;
1. list 节点类
list 节点类如下,因为是双向链表,所以应该有一个数据,两个指针;
namespace Young{// list 节点类template <class T>struct list_node{T _data;list_node<T>* _next;list_node<T>* _prev;list_node(const T& x = T()):_data(x),_next(nullptr),_prev(nullptr){}};}
2. list 迭代器类
首先我们先定义一个类模板,其参数有三个,分别是类型、类型的引用(const 和 非const) 、类型的指针(const 和 非const) ;
为什么要定义三个模板参数呢,因为考虑到 const 迭代器,const 迭代器和普通迭代器不是同一个类,不能直接在 iterator 前直接加 const,如 const iterator
,这不是 const 迭代器,因为这里的 const 修饰的是迭代器本身,就是迭代器本身不能修改,但是我们期望的是迭代器本身可以被修改,如 it++、++it
,只是期望迭代器指向的内容不能被修改,如 *it = 10、it->10
;
这就类比 const T*
和 T* const
, const T*
中 const 是修饰指向的内容不能被修改,而 T* const
中 const 修饰的是指针本身不能被修改;而我们需要实现的 const 迭代器 是要满足第一种的,所以 list 中普通迭代器和 const 迭代器 是两个完全不一样的类,应该写成两个类,但是我们可以通过增加两个模板参数 类型的引用(const 和 非const) 、类型的指针(const 和 非const) 来复用普通迭代器,具体实现如下:
// list 迭代器类template <class T,class Ref,class Ptr>struct __list_iterator{typedef list_node<T> Node;typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;Node* _node;// 迭代器构造函数__list_iterator(Node* node):_node(node){}}
首先我们先将节点类起别名为 Node,再将自己的类起别名为 self;迭代器本身也是一个指针,只是它内部实现不一样,所以我们需要一个 _node 节点的指针,构造函数实例化一个节点的指针,比如说 list<int>::iterator it = lt.begin();
,这里的 it 就会调构造函数,实例化一个 lt.begin()
节点的指针,其实 lt.begin() 就是指向头节点的指针。
接着我们重载一些迭代器常用的运算符:
(1)前置++
就是让迭代器往后迭代,具体的实现就是让节点的指针指向下一个节点:
// 前置 ++self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}
(2)后置++
跟前置++的区别就是,后置++需要拷贝,返回++以前的迭代器,所以一般都不用后置++;
// 后置 ++self operator++(int){self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}
(3)前置- -、后置- -
前置- -、后置- - 与 ++ 的区别就是, - -返回上一个节点的迭代器;
// 前置 --self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}// 后置--self operator--(int){self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}
(4)!= 和 == 运算符重载
!= 运算符重载就是比较它们的节点是否相等;== 运算符就相反;
// != 运算符重载 iterator it != lt.begin();bool operator!=(const self& s){return s._node != _node;}// == 运算符重载 iterator it == lt.begin();bool operator==(const self& s) {return s._node == _node;}
(5)* 解引用重载 和 -> 重载
解引用重载 和 -> 重载 就是改变迭代器指向内容的两个运算符,所以我们定义的三个模板参数,就在这里起作用了;比如我们实例化的模板参数是 const 迭代器 的 __list_iterator<T, const T&, const T*>
,这里的 const T&
就是 Ref,const T*
就是 Ptr,这里就可以直接用 Ref (解引用重载)和 Ptr(箭头重载) 作返回值;
如果是 非const 迭代器的 __list_iterator<T, T&, T*>
,T&
就是 Ref,T*
就是 Ptr;所以就可以根据它们的类型返回对应的迭代器类型,就不需要我们自己写两个迭代器的类了。
// * 解引用重载Ref operator*(){return _node->_data;}// -> 重载Ptr operator->(){return &_node->_data;}
解引用 和 -> 重载的使用:
假设 list 里面存的类型是一个自定义类型,这个自定义类型中有两个成员变量,那么我们在使用 解引用 和 -> 重载的时候,应该访问哪一个呢?这时候就需要我们指定访问了,如下代码:
struct AA{AA(int a1 = 0, int a2 = 0):_a1(a1), _a2(a2){}int _a1;int _a2;};void test4(){Young::list<AA> lt;lt.push_back(AA(1, 1));lt.push_back(AA(2, 2));lt.push_back(AA(3, 3));Young::list<AA>::iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){// 使用解引用//cout << (*it)._a1<<" "<<(*it)._a2 << endl;//使用 ->cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;++it;}cout << endl;}
上面的 cout << it->_a1 << " " << it->_a2 << endl;
调用了->重载,实际上是 cout << it.operator->()->_a1 << " " << it.operator->()->_a2 << endl;
,本来应该是有两个 -> 的,即 it->->_a1
但是这样写可读性不好,所以编译器特殊处理,省略了一个 ->。
3. list 类
list 类首先将 const 迭代器和非 const 迭代器类型起别名为 const_iterator 和 iterator ;成员变量有 _head 哨兵位节点和 _size 记录链表的长度,如下:
// list 类template <class T>class list{public:typedef list_node<T> Node;typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;private:Node* _head;size_t _size;};
(1)迭代器
注意,begin() 是哨兵位的下一个节点,end() 是哨兵位节点。
begin() 和 end() 返回的类型也是一个迭代器,这里 iterator(_head->_next)
是调用迭代器类的构造函数,构造一个节点的指针返回;也可以写成 _head->_next
,因为支持隐式类型的转换;
// 非 const 迭代器iterator begin(){return iterator(_head->_next);}iterator end(){return iterator(_head);}// const 迭代器const const_iterator begin() const{return const_iterator(_head->_next);}const const_iterator end() const{return const_iterator(_head);}
(2)修改相关的接口
swap()
交换链表数据,需要借助标准库的 swap 函数实现:
// 交换链表数据void swap(list<T>& lt){std::swap(_head, lt._head);std::swap(_size, lt._size);}
insert()
在 pos 迭代器插入节点;新开一个节点,然后插入指定迭代器的位置,连接好 prev 和 cur 的位置即可;因为 list 的底层结构为带头结点的双向循环链表,因此在 list 中进行插入时是不会导致 list 的迭代器失效的;
// 插入节点iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* newnode = new Node(x);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;prev->_next = newnode;newnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;++_size;return newnode;}
erase()
删除 pos 迭代器位置的节点;在删除时迭代器会失效,并且失效的只是指向被删除节点的迭代器,其他迭代器不会受到影响,所以 erase() 函数执行后,it 所指向的节点已被删除,因此 it 无效,在下一次使用 it 时,必须先给其赋值;
// 删除节点iterator erase(iterator pos){Node* prev = pos._node->_prev;Node* next = pos._node->_next;prev->_next = next;next->_prev = prev;delete pos._node;pos._node->_next = pos._node->_prev = nullptr;--_size;return next;}
push_back、push_front、pop_back、pop_front
只需要复用 insert() 和 erase() 即可,实现如下:
// 尾插void push_back(const T& x){insert(end(), x);}// 头插void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}// 尾删void pop_back(){erase(--end());}// 头删void pop_front(){erase(begin());}
clear()
清空链表数据,删除除了哨兵位的节点即可;
// 清空链表数据void clear(){iterator it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}
以上修改接口配合迭代器的使用如下图:
(3)空链表初始化
// 空链表初始化void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}
(4)构造函数
构造函数只需要创建一个哨兵位即可;
// 构造函数list(){empty_init();}
(5)拷贝构造函数
拷贝构造函数直接初始化,然后插入数据即可;
// 拷贝构造函数 -- lt2(lt1)list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto e : lt){push_back(e);}}
(6)赋值运算符重载
现代写法,传参的时候调用拷贝构造,然后交换数据即可;
// 赋值运算符重载 -- lt2 = lt1list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}
(7)析构函数
清空链表数据之后再释放哨兵位的节点即可;
// 析构函数~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}
4. 打印容器的接口
(1)打印链表整型的接口
像 vector、list 这些容器都没有重载流插入运算符,所以我们可以自己实现一个打印的接口函数;我们先来实现一下打印链表整型的接口:
// 打印链表 -- 只能针对 int 类型void print_list(const list<int>& lt){list<int>::const_iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){//*it = 10; errorcout << *it << " ";++it;}cout << endl;}
此接口可以打印链表的数据,但是只能针对 int 类型,我们可以对它进行改造一下,使用模板。
(2)打印 list 的接口
我们学了模板,就可以利用模板实现泛型编程,将类型改为模板的泛型,即可打印 list 中的不同类型,如下:
// 打印链表 -- 只能打印 list 容器template<typename T>void print_list(const list<T>& lt){typename list<T>::const_iterator it = lt.begin();while (it != lt.end()){//*it = 10; errorcout << *it << " ";++it;}cout << endl;}
这里的模板参数使用了 typedef 关键字,这里必须使用 typedef 关键字,而且在指定类域前还要加上 typedef 关键字,如 typename list<T>::const_iterator it = lt.begin();
;因为在模板还没有进行实例化的时候, const_iterator
就到 list<T>
的类域中寻找类型,此时类中还没有实例化参数 T,所以编译器分不清它是类型还是静态变量,不能去 list<T>
里面找,所以在前面加 typedef 关键字就说明它是个类型,编译器在等 list<T>
实例化后,再去类里面去取根据类型去取类型。
但是上面的接口还是不够完美,要是我想打印 vector 呢?那还是不能打印出来,所以我们可以实现一个专门打印容器的接口;
(3)打印容器的接口
我们使用模板参数代表容器,让编译器到指定容器去取它的迭代器即可;
// 打印容器 -- 能打印各种容器template<typename container>void print_container(const container& con){typename container::const_iterator cit = con.begin();while (cit != con.end()){cout << *cit << " ";++cit;}cout << endl;}
使用如下图:
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