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【C++笔记】list使用详解及模拟实现

前言

各位读者朋友们大家好!上期我们讲了vector的使用以及底层的模拟实现,这期我们来讲list。

目录

  • 前言
  • 一. list的介绍及使用
    • 1.1 list的介绍
    • 1.2 list的使用
      • 1.2.1 list的构造
      • 1.2.2 list iterator的使用
      • 1.2.3 list capacity
      • 1.2.4 list element access
      • 1.2.5 list modifiers
  • 二. list的模拟实现
    • 2.1 list的底层结构
    • 2.2 普通迭代器
    • 2.3 const迭代器
    • 2.4 insert
    • 2.5 erase
    • 2.6 迭代器失效
    • 2.7 list的析构函数
    • 2.9 list的构造函数
    • 2.8 operator=
  • 三. 按需实例化
  • 四. initializer_list
  • 五. list.h
  • 结语

一. list的介绍及使用

1.1 list的介绍

list的文档
在这里插入图片描述
这里的list就是双向带头循环链表

在这里插入图片描述

1.2 list的使用

list的接口较多,我们要先掌握如何正确的使用,然后再去深入研究底层的原理,以达到可扩展的能力。以下是list的一些常见的重要接口。

1.2.1 list的构造

构造函数(Constructor)接口说明
list (size_type n, const value_type& val = value_type())构造的list中包含n个值为val的元素
list()构造空的list
list(const list& x)拷贝构造
list(InputItetator first,InputIterator last)用一段迭代器区间构造list
  • list (size_type n, const value_type& val = value_type())
    在这里插入图片描述
  • list()
    在这里插入图片描述
  • list(const list& x)
    在这里插入图片描述
  • list(InputItetator first,InputIterator last)
    在这里插入图片描述

1.2.2 list iterator的使用

这里我们暂时将list的迭代器理解为指针,该指针指向list中的某一节点

函数声明接口说明
begin + end返回第一个元素的迭代器+返回最后一个元素下一个位置的迭代器
rbegin + rend返回第一个元素的reverse_iterator,即end位置的迭代器+返回begin位置前一个位置的迭代器

可以看到这里的list的迭代器是双向的迭代器
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
如果想在某个位置插入元素就不能对迭代器进行+运算了
这里我们在第三个位置之前插入1314,要对begin进行三次自加,而不能使用begin+3

list<int> l(5, 520);
int k = 3;
list<int>::iterator it = l.begin();
while (k--)
{++it;
}
l.insert(it, 1314);
for (auto a : l)
{cout << a << " ";
}
cout << endl;

在这里插入图片描述

1.2.3 list capacity

函数声明接口说明
empty检测list是否为空,是返回true,否则返回false
size返回list的有效节点个数
void test_list2()
{list<int> l1,l2;if (l1.empty()){cout << "true" << endl;cout << l1.size() << endl;}else{cout << "false" << endl;cout << l1.size() << endl;}l2.push_back(1314);cout << l2.size() << endl;
}

在这里插入图片描述

1.2.4 list element access

函数声明接口说明
front返回list的第一个节点中的值的引用
back返回list的最后一个节点中的值的引用
void test_list3()
{list<int> l;l.push_back(520);l.push_back(520);l.push_back(520);l.push_back(520);for (auto a : l){cout << a << " ";}cout << endl;l.front() = 1314;l.back() = 1314;for (auto a : l){cout << a << " ";}
}

在这里插入图片描述
将第一个和最后一个位置的值改为了1314

1.2.5 list modifiers

函数声明接口说明
push_front在list首元素之前插入值为val的元素
pop_front删除list的第一个元素
push_back尾插值为val的元素
emplace_back尾插一个元素
pop_back将list的最后一个元素删除
insert在pos位置插入值为val的元素
erase删除pos位置的元素
  • push_front
    在这里插入图片描述

  • pop_front
    在这里插入图片描述

  • push_back 和 pop_back
    在这里插入图片描述

  • emplace_back
    在这里插入图片描述
    emplace_back在功能上跟push_back类似。但是emplace_back支持直接构造,不用再拷贝构造了,在最后一种情况下emplace_back比push_back高效。

  • insert 和 erase
    在这里插入图片描述

  • splice
    在这里插入图片描述
    将一个链表插到另一个链表的指定位置

void test_list4()
{list<int> lt1,lt2;lt1.push_back(520);lt1.push_back(520);lt2.push_back(1314);lt2.push_back(1314);lt1.splice(lt1.begin(), lt2);for (auto a : lt1){cout << a << " ";}cout << endl;for (auto a : lt2){cout << a << " ";}
}

在这里插入图片描述
插入后lt2就被置空了。
这一接口也可以用来调整结点的顺序
在这里插入图片描述

  • merge
    在这里插入图片描述
    这一功能的实现的是有序链表的合并
    在这里插入图片描述
    将大的尾插到一个头节点后最后将头节点接到lt1上

上面就讲完了list常用接口的使用,下面我们开始模拟实现list

二. list的模拟实现

2.1 list的底层结构

template <class T>// 链表的节点
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){}
};template <class T>
class list
{typedef list_node<T> Node;
public:
list()
{_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;
}
private:Node* _head;size_t _size;
};

2.2 普通迭代器

因为list的节点在内存中不是连续存储的,因此不能使用原生指针作为迭代器,我们可以封装一个类来作为迭代器,通过运算符重载来实现迭代器的功能。

template <class T>
struct list_iterator
{typedef list_node<T> Node;typedef list_iterator<T> Self;Node* _node;list_iterator(Node* node):_node(node){}T& operator*(){return _node->_data;}T* operator -> (){return &_node->_data;}Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self& operator++(int)// 后置++{Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}Self& operator--(int){ Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return *this;}bool operator==(const Self& s) const{return _node == s._node;}bool operator!=(const Self& s) const{return _node != s._node;}
};

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2.3 const迭代器

在这里插入图片描述
但是这样要写成两个类,而且两个类的方法只有两个不同,很是冗余,有没有方法能实现成一个类呢?
我们看一下库里是如何实现的:
在这里插入图片描述

template <class T,class Ref,class Ptr>
struct list_iterator
{typedef list_node<T> Node;typedef list_iterator<T,Ref,Ptr> Self;Node* _node;list_iterator(Node* node):_node(node){}Ptr operator -> (){return &_node->_data;}Ref operator*(){return _node->_data;}Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self& operator++(int)// 后置++{Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}Self& operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return *this;}bool operator==(const Self& s) const{return _node == s._node;}bool operator!=(const Self& s) const{return _node != s._node;}
};

写一段程序来体现一下实例化的过程
在这里插入图片描述

2.4 insert

在这里插入图片描述

iterator insert(iterator pos, const T& x)
{Node* newnode = new Node(x);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;// prev newnode curnewnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;prev->_next = newnode;++_size;return newnode;
}

有了insert我们可以服复用hinsert来实现push_back和push_front

void push_back(const T& x)
{insert(end(), x);
}
void push_front(const T& x)
{insert(begin(), x);
}

2.5 erase

将pos节点的前节点和后节点相连然后将pos节点释放即可
在这里插入图片描述

iterator erase(iterator pos)
{assert(pos != end());Node* next = pos._node->_next;Node* prev = pos._node->_prev;next->_prev = prev;prev->_next = next;delete pos._node;--_size;return next;
}

有了erase就可以复用erase来实现pop_back和pop_front了

void pop_back()
{erase(--end());
}
void pop_front()
{erase(begin());
}

2.6 迭代器失效

在这里插入图片描述

2.7 list的析构函数

~list()
{clear();delete _head;_head = nullptr;
}
void clear()
{auto it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}
}

将所有节点删除之后再将头结点释放

2.9 list的构造函数

void empty_init()
{_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;
}
list()
{empty_init();
}
list(const list<T>& tmp)
{empty_init();for (auto& a : tmp){push_back(a);}
}

构造一个头节点,将tmp的节点尾插到头节点后

2.8 operator=

	list<T>& operator=(list<T> tmp){swap(tmp);return *this;}

依旧是现代写法
在这里插入图片描述

三. 按需实例化

编译器在对模板进行实例化的时候,使用哪些成员函数就实例化哪些成员函数,不会全部实例化。
在这里插入图片描述

四. initializer_list

C++11中支持下面的写法:
在这里插入图片描述
不需要一直push_back数据,这里是因为支持了initializer_list
在这里插入图片描述
initializer_list底层是两个指针,第一个指针指向第一个数据,第二个指针指向最后一个数据的下一位置
在这里插入图片描述
我们写的list如果要支持这种写法需要写一个新的构造函数
在这里插入图片描述

list(initializer_list<T> il)
{empty_init();for (auto& a : il){push_back(a);}
}

跟普通的构造函数一样,只是参数变了而已,最正确的写法应该如下,因为我们是构造函数
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
这样就是隐式类型转换了
在这里插入图片描述
所以就有了下面的玩法:
在这里插入图片描述

五. list.h

namespace Yuey
{template <class T>// 链表的节点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){}};template <class T, class Ref, class Ptr>struct list_iterator{typedef list_node<T> Node;typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;Node* _node;list_iterator(Node* node):_node(node){}Ptr operator -> (){return &_node->_data;}Ref operator*(){return _node->_data;}Self& operator++(){_node = _node->_next;return *this;}Self& operator++(int)// 后置++{Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}Self& operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return *this;}bool operator==(const Self& s) const{return _node == s._node;}bool operator!=(const Self& s) const{return _node != s._node;}};struct AA{int _a1 = 520;int _a2 = 1314;};template <class T>class list{typedef list_node<T> Node;public:typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;void empty_init(){_head = new Node;_head->_next = _head;_head->_prev = _head;_size = 0;}list(){empty_init();}list(initializer_list<T> il){empty_init();for (auto& a : il){push_back(a);}}list(const list<T>& tmp){empty_init();for (auto& a : tmp){push_back(a);}}~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}void clear(){auto it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}void swap(list<T>& tmp){std::swap(_head, tmp._head);std::swap(_size, tmp._size);}list<T>& operator=(list<T> tmp){swap(tmp);return *this;}iterator begin(){return iterator(_head->_next);}iterator end(){return _head;}const_iterator begin() const{return const_iterator(_head->_next);}const_iterator end() const{return _head;}iterator insert(iterator pos, const T& x){Node* newnode = new Node(x);Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;// prev newnode curnewnode->_prev = prev;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;prev->_next = newnode;++_size;return newnode;}void push_back(const T& x){insert(end(), x);}void push_front(const T& x){insert(begin(), x);}iterator erase(iterator pos){assert(pos != end());Node* next = pos._node->_next;Node* prev = pos._node->_prev;next->_prev = prev;prev->_next = next;delete pos._node;--_size;return next;}void pop_back(){erase(--end());}void pop_front(){erase(begin());}private:Node* _head;size_t _size;};
}

结语

以上我们就讲完了list的用法以及模拟实现,希望对大家有所帮助,感谢大家的阅读,欢迎大家批评指正!

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