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C++之list容器模擬實現方式

2023-02-06 06:01:05

總述

list模擬實現主要包括四個類：節點類、迭代器類、反向迭代器類、list類。

list底層結構：

因為list的底層空間不連續，所以迭代器不能使用原生態的指標，將節點型別的指標封裝成類，過載解除參照及自增等常用操作。list可以儲存多種資料型別，所以這些類都寫成類別範本

一、節點類

list底層是帶頭結點的雙向迴圈連結串列，先實現節點類，給成類別範本的形式，便於插入不同型別的資料。

template<class T>
struct ListNode
{
	ListNode<T>* prev;
	ListNode<T>* next;
	T data;//要在連結串列中儲存的資料型別

	ListNode(const T& value = T())
		:prev(nullptr)
		, next(nullptr)
		, data(value)
	{ }
};

定義新節點的方法：

ListNode<變數型別>*變數名=new ListNode(value)；

二、迭代器類

迭代器類別範本有三個引數

  • T：迭代器指向的元素型別
  • Ref：返回的參照型別
  • Ptr：返回的指標型別

Ref和Ptr一般不寫成T&和T*。

成員變數

迭代器類的成員變數就是節點型別的指標

Node* _pNode;//成員變數，節點型別指標

建構函式

編譯器預設的建構函式是無參的，建構函式需要給出

ListIterator(Node* pNode = nullptr)
	:_pNode(pNode)
{}

*過載

返回節點中儲存的資料

Ref operator*()
{
	return _pNode->data;
}

->過載

返回節點中儲存的資料的地址

Ptr operator->()
{
	return &_pNode->data;
}

->的過載只對內建型別有意義：

“++”

前置++

返回值是迭代器自身型別的參照，前面已經將ListIterator<T, Ref, Ptr>重新命名位Self，表示迭代器自身的型別。

Self& operator++()
{
	_pNode = _pNode->next;
	return *this;
}

後置++

定義臨時變數，返回自增前的值

Self operator++(int)
{
	Self temp(*this);
	_pNode = _pNode->next;
	return temp;
}

“–”

與++原理相同

Self& operator--()
{
	_pNode = _pNode->prev;
	return (*this);
}
Self operator--(int)
{
	Self temp(*this);
	_pNode = _pNode->prev;
	return temp;
}

“==“和”!=”

比較兩個迭代器中封裝的指標

bool operator!=(const Self& it)
{
	return _pNode != it._pNode;
}
bool operator==(const Self& it)
{
	return _pNode == it._pNode;
}

三、反向迭代器類

反向迭代器可以對迭代器類進行復用

因為類外存取靜態成員變數時也會使用類名::變數名的方式，所以對迭代器類中的Reference和Pointer進行重新命名時要加上typename,明確告訴編譯器要重新命名的是一個資料型別。否則編譯器會報錯：

成員變數

反向迭代器對迭代器類進行復用

private:
	Iterator _it;//正向迭代器

*過載

反向迭代器的解除參照要做特殊處理，返回的是對迭代器–的值

Reference operator*()
{
	//*做特殊處理，先--,再解除參照返回
	auto temp = _it;
	--temp;
	return *temp;
}

->過載

複用*的過載，返回value的地址

Pointer operator->()
{
	return &(operator*());
}

“++”

反向迭代器的++即為正向迭代器的–

Self operator++()
{
	--_it;
	return *this;
}
Self operator++(int)
{
	Self temp(*this);
	--_it;
	return *this;
}

“- -”

反向迭代器的–用正向迭代器的++替代

Self operator--()
{
	++_it;
	return *this;
}
Self operator--(int)
{
	Self temp(*this);
	++_it;
	return temp;
}

" == " 和"!="

比較反向迭代器類中儲存的正向迭代器，複用正向迭代器中的比較方法

bool operator==(const Self& rit)
{
	return _it == rit;
}
bool operator!=(const Self& rit)
{
	return _it == rit._it;
}

四、list類

成員變數

list的成員變數只有一個head指標，指向連結串列的第一個節點

private:
	Node* head;

構造相關

空物件

list()
{
	CreatHead();
}

創造頭節點的方法：

//提供一個創造頭結點的方法
void CreatHead()
{
	//呼叫節點類的構造方法
	head = new Node();
	head->next = head;
	head->prev = head;
}

0000000

new申請空間，令head指向這段空間，head的next和prev都指向自己。

n個T型別元素

呼叫push_back方法，創造頭節點後，不斷進行尾插直到元素個數等於n

list(int n, const T& value = T())
{
	CreatHead();
	for (int i = 0; i < n; ++i)
	{
		push_back(value);
	}
}

拷貝構造

複用push_back

list(const list<T>& l)
{
	CreatHead();
	auto it = l.cbegin();
	while (it != l.cend())
	{
		push_back(*it);
		it++;
	}
}

迭代器構造

將迭代器構造方法寫成函數模板，可以傳入不同型別的迭代器來構造list物件

template<class InputIterator>
list(InputIterator first, InputIterator last)
{
	CreatHead();
	while (first != last)
	{
		push_back(*first);
		first++;
	}
}

賦值運運算元過載

與拷貝構造寫法相同

list<T>& operator=(const list<T>& l)
{
	if (this != &l)
	{
		clear();//先清空當前物件中的節點
		auto it = l.cbegin();
		while (it != l.cend())
		{
			push_back(*it);
			it++;
		}
	}
	return *this;
}

解構

清空當前物件，釋放頭節點空間，將頭節點置空

~list()
{
	clear();
	delete head;
	head = nullptr;
}

迭代器

正向迭代器

begin

此處的iterator是對ListIterator<T, T&, T*>的重新命名，這裡會返回一個ListIterator<T, T&, T*>類物件

iterator begin()
{
	//iterator it(head->next);
	//return it;
	//head->next是傳遞給迭代器類物件建構函式的引數,呼叫iterator的建構函式
	return iterator(head->next);//構造匿名物件返回
}

end

iterator end()
{
	return iterator(head);
}

const型別迭代器

iterator和const_iterator 是兩個不同的類：

兩者使用的是相同的類別範本，但是傳遞的引數不同，最終範例化的也是不同的類。 

cbegin&cend

const_iterator cbegin()const
{
	return const_iterator(head->next);
}
const_iterator cend()const
{
	return const_iterator(head);
}

反向迭代器

rbegin&rend

返回正向迭代器的end和begin

reverse_iterator rbegin()
{
    return reverse_iterator(end());
}
reverse_iterator rend()
{
    return reverse_iterator(begin());
}

crbegin&crend

複用正向迭代器的cend和cbegin

const_reverse_iteraotr crbegin()const
{
    return const_reverse_iteraotr(cend());
}
const_reverse_iteraotr crend()const
{
    return const_reverse_iteraotr(cbegin());
}

容量操作

size

遍歷連結串列，統計節點個數

size_t size()
{
    auto it = cbegin();
    size_t count = 0;
    while (it != cend())
    {
        ++count;
        ++it;
    }
    return count;
}

empty

如果head->next是head本身則表明連結串列為空

bool empty()
{
    return head->next == head;
}

 

resize

改變節點個數，若新的節點個數大於舊的，則呼叫push_back填充元素；若新的節點個數小於原來的呼叫pop_back尾刪

元素存取

front

複用迭代器解除參照的方法，返回begin()位置元素

T& front()
{
	return *begin();
}
const T& front()const
{
	return *cbegin();
}

back

back表示最後一個元素，但是end()指向的是最後一個元素的下一個位置，需要定義臨時變數，不能直接對end()進行- -。

T& back()
{
	auto it = end();
	//return --end()//錯誤寫法
	it--;
	return *it;
}
const T& back()const
{
	auto it = end();
	it--;
	return *it;
}

列印連結串列

定義一個列印連結串列的函數模板，檢驗方法。通過迭代器遍歷連結串列，列印每一個節點的資料。

template<class T>
void PrintList(const list<T>& l)
{
	auto it = l.cbegin();
	while (it != l.cend())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

元素修改

尾插與尾刪

push_back

複用insert方法在end位置插入

void  push_back(const T& value)
{
	insert(end(), value);
}

pop_back

先判斷連結串列是否為空，複用erase方法在end的前一個位置進行插入

void pop_back()
{
	if (empty())
	{
		return;
	}
	auto it = end();
	it--;
	erase(it);
}

頭插與頭刪

複用insert與erase方法，在begin()位置進行插入或刪除

void push_front(const T& value = T())
{
	insert(begin(), value);
}
void pop_front()
{
	erase(begin());
}

⭐insert

任意位置的插入：申請新節點，連線新節點與連結串列，斷開舊的連線。

這裡傳入的引數是一個迭代器類物件，不能直接進行操作，要對物件中封裝的_pNode指標進行操作。

返回值是新插入的節點的迭代器，所以要用申請的新節點的指標newnode構造一個迭代器類物件返回，不能直接返回newnode

iterator insert(iterator Insertpos, const T& value)
{
	Node* newnode = new Node(value);
	Node* pos = Insertpos._pNode;//_pNode是節點型別的指標
	newnode->next = pos;
	newnode->prev = pos->prev;
	newnode->prev->next = newnode;
	pos->prev = newnode;
	//return newnode;
	//⭐迭代器是封裝的Node*指標，此時不能再返回newnode
	return iterator(newnode);//構造匿名物件返回
}

⭐erase

任意位置的刪除：分別改變前後兩個節點的next和prev指標的指向即可

iterator erase(iterator Erasepos)
{
	Node* pos = Erasepos._pNode;
	Node* ret = pos->next;
	pos->prev->next = pos->next;
	pos->next->prev = pos->prev;
	delete pos;
	return iterator(ret);
}

區間刪除：複用單個節點刪除的方法，遍歷要刪除的區間。

要用接收erase的返回值，防止迭代器失效

iterator erase(iterator first, iterator last)
{
	auto it = first;
	while (it != last)
	{
		//it=erase(it);
		//後置++會構造臨時物件返回，不會導致迭代器失效
		erase(it++);
	}
	return it;
}

clear&swap

  • clear複用erase區間刪除的方法，從begin刪除到end位置；
  • swap方法呼叫標準庫中的swap，交換兩個連結串列的頭節點。
void clear()
{
	erase(begin(), end());
}
void swap(list<T>& l)
{

	std::swap(head, l.head);
}

附：完整list類，含測試用例

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

namespace ZH
{
	/
	//節點類別範本, 
	template<class T>
	struct ListNode
	{
		ListNode<T>* prev;
		ListNode<T>* next;
		T data;

		ListNode(const T& value = T())
			:prev(nullptr)
			, next(nullptr)
			, data(value)
		{ }
	};
	
	/
	//迭代器類別範本
	//list的迭代器不能使用原生態的指標，要進行封裝
	//T：迭代器指向的元素型別
	//Ref：給operator*使用，返回參照型別，不要寫成T&
	//Ptr：返回值使用，不要寫成T*
	template<class T,class Ref,class Ptr>
	class ListIterator
	{
	public:
		typedef ListNode<T> Node;//化簡節點類的名字
		typedef Ref Reference;//在反向迭代器類中使用
		typedef Ptr Pointer;

		typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;//簡化迭代器類的名字

		//建構函式
		ListIterator(Node* pNode=nullptr)
			:_pNode(pNode)
		{}

		//過載部分需要使用的運運算元即可：*、->、++、--、==
		Ref operator*()
		{
			return _pNode->data;
		}
		//T為自定義型別時有意義,
		Ptr operator->()
		{
			return &_pNode->data;
		}
		//前置++，返回值是迭代器自身型別的參照
		Self& operator++()
		{
			_pNode = _pNode->next;
			return *this;
		}
		//後置
		Self operator++(int)
		{
			Self temp(*this);
			_pNode = _pNode->next;
			return temp;
		}
		Self& operator--()
		{
			_pNode = _pNode->prev;
			return (*this);
		}
		Self operator--(int)
		{
			Self temp(*this);
			_pNode = _pNode ->prev;
			return temp;
		}
		//迭代器能進行比較
		bool operator!=(const Self& it)
		{
			return _pNode != it._pNode;
		}
		bool operator==(const Self& it)
		{
			return _pNode == it._pNode;
		}

		Node* _pNode;//成員變數，節點型別指標
	};

	
	//反向迭代器類別範本，對迭代器進行復用
	template<class Iterator>
	class ListReverseIterator
	{
	public:
		//typedef Iterator::Reference Reference;
		//typedef Iterator::Pointer Pointer;
		typedef typename Iterator::Reference Reference;//typename指定Reference是Iterator中的資料型別
		typedef typename Iterator::Pointer Pointer;
		typedef ListReverseIterator<Iterator> Self;

		ListReverseIterator(Iterator it)
			: _it(it)
		{ }

		Reference operator*()
		{
			//*做特殊處理，先--,再解除參照返回
			auto temp = _it;
			--temp;
			return *temp;
		}
		Pointer operator->()
		{
			return &(operator*());
		}
		Self operator++()
		{
			--_it;
			return *this;
		}
		Self operator++(int)
		{
			Self temp(*this);
			--_it;
			return *this;
		}
		Self operator--()
		{
			++_it;
			return *this;
		}
		Self operator--(int)
		{
			Self temp(*this);
			++_it;
			return temp;
		}
		bool operator==(const Self& rit)
		{
			return _it == rit;
		}
		bool operator!=(const Self& rit)
		{
			return _it == rit._it;
		}

	private:
		Iterator _it;//正向迭代器
	};

	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		//typedef Node* iterator;//不能使用Node*作迭代器
		//迭代器
		typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef ListIterator< T, const T&, const T*> const_iterator;
		
		typedef ListReverseIterator<iterator> reverse_iterator;
		typedef ListReverseIterator<const_iterator> const_reverse_iteraotr;

	public:
		///
		//構造
		list()
		{
			CreatHead();
		}
		list(int n, const T& value=T())
		{
			CreatHead();
			for (int i = 0; i < n; ++i)
			{
				push_back(value);
			}
		}
		list(const list<T>& l)
		{
			CreatHead();
			auto it = l.cbegin();
			while (it != l.cend())
			{
				push_back(*it);
				it++;
			}
		}
		//迭代器區間構造
		template<class InputIterator>
		list(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			CreatHead();
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				first++;
			}
		}
		//賦值運運算元過載
		list<T>& operator=(const list<T>& l)
		{
			if (this != &l)
			{
				clear();//先清空當前物件中的節點
				auto it = l.cbegin();
				while (it != l.cend())
				{
					push_back(*it);
					it++;	
				}
			}
			return *this;
		}
		~list()
		{
			clear();
			delete head;
			head = nullptr;
		}
	public:
		//迭代器
		iterator begin()
		{
			//iterator it(head->next);
			//return it;
			//iterator是對ListIterator<T, T&, T*>的重新命名
			//這裡會返回一個ListIterator<T, T&, T*>類物件
			//head->next是傳遞給迭代器類物件建構函式的引數,呼叫iterator的建構函式
			return iterator(head->next);//構造匿名物件返回
		}
		iterator end()
		{
			return iterator(head);
		}
		//const型別迭代器
		const_iterator cbegin()const
		{
			return const_iterator(head->next);
		}
		const_iterator cend()const
		{
			return const_iterator(head);
		}

		//反向迭代器
		//反向迭代器的成員變數是一個迭代器類物件
		//end()即為傳遞給反向迭代器類建構函式的引數
		reverse_iterator rbegin()
		{
			return reverse_iterator(end());
		}
		reverse_iterator rend()
		{
			return reverse_iterator(begin());
		}
		//反向const型別迭代器
		const_reverse_iteraotr crbegin()const
		{
			return const_reverse_iteraotr(cend());
		}
		const_reverse_iteraotr crend()const
		{
			return const_reverse_iteraotr(cbegin());
		}

		/
		//容量
		size_t size()
		{
			auto it = cbegin();
			size_t count = 0;
			while (it != cend())
			{
				++count;
				++it;
			}
			return count;
		}
		bool empty()
		{
			return head->next == head;
		}
		void resize(int newsize,const T& value=T())
		{
			size_t oldsize = size();
			if (newsize > oldsize)
			{
				while (oldsize++<newsize)
				{
					push_back(value);
				}
			}
			if (newsize < oldsize)
			{
				while (oldsize-- < newsize)
				{
					pop_back();
				}
			}
		}

		///
		//元素存取
		T& front()
		{
			return *begin();
		}
		const T& front()const
		{
			return *cbegin();
		}
		T& back()
		{
			auto it = end();
			it--;
			return *it;
		}
		const T& back()const
		{
			auto it = end();
			it--;
			return *it;
		}


		/
		//元素修改
		void  push_back(const T& value)
		{
			insert(end(), value);
		}

		void pop_back()
		{
			if (empty())
			{
				return;
			}
			auto it = end();
			it--;
			erase(it);
		}
		void push_front(const T& value = T())
		{
			//Node* pos = head->next;
			/*Node* newnode = new Node(value);
			newnode->next = head->next;
			newnode->prev = head;
			head->next->prev = newnode;
			head->next = newnode;*/
		    //複用insert
			insert(begin(), value);
		}
		void pop_front()
		{
			erase(begin());
		}

		//⭐insert
		// iterator是ListIterator<T, T&, T*>
		iterator insert(iterator Insertpos, const T& value)
		{
			Node* newnode = new Node(value);
			Node* pos = Insertpos._pNode;//_pNode是節點型別的指標
			newnode->next = pos;
			newnode->prev = pos->prev;
			newnode->prev->next = newnode;
			pos->prev = newnode;
			//return newnode;
			//⭐迭代器是封裝的Node*指標，此時不能再返回newnode
			return iterator(newnode);//構造匿名物件返回
		}
		//⭐erase
		iterator erase(iterator Erasepos)
		{
			Node* pos = Erasepos._pNode;
			Node* ret = pos->next;
			pos->prev->next = pos->next;
			pos->next->prev = pos->prev;
			delete pos;
			return iterator(ret);
		}
		iterator erase(iterator first, iterator last)
		{
			auto it = first;
			while (it != last)
			{
				//it=erase(it);
				erase(it++);
			}
			return it;
		}

		void clear()
		{
			erase(begin(), end());
		}
		void swap(list<T>& l)
		{
			std::swap(head, l.head);
		}

	private:
		//提供一個創造頭結點的方法
		void CreatHead()
		{
			//呼叫節點類的構造方法
			head = new Node();
			head->next = head;
			head->prev = head;
		}
	private:
		Node* head;

	};

	template<class T>
	void PrintList(const list<T>& l)
	{
		auto it = l.cbegin();
		while (it != l.cend())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}
}

void Test1()
{
	ZH::list<int> l1;
	ZH::list<int> l2(3, 1);
	PrintList(l2);
	ZH::list<int> l3(l2.begin(), l2.end());
	PrintList(l3);
	vector<int> v{ 0,1,2,3,4 };
	ZH::list<int> l4(v.begin(), v.end());
	PrintList(l4);
}

void Test2()
{
	vector<int> v{ 1,2,3,4 };
	ZH::list<int> L1(v.begin(), v.end());
	L1.push_back(5);
	L1.push_back(6);
	L1.push_front(0);
	PrintList(L1);
	L1.pop_back();
	L1.pop_front();
	PrintList(L1);
	L1.erase(--L1.end());
	PrintList(L1);
}

void Test3()
{
	ZH::list<int> L1;
	L1.push_back(1);
	L1.push_back(2);
	L1.push_back(3);
	L1.push_front(0);
	PrintList(L1);
	L1.resize(6, 5);
	PrintList(L1);
}

struct A
{
	int a;
	int b;
	int c;
};

void Test4()
{
	A aa{ 1,2,3 };
	A bb{ 4,5,6 };
	A cc{ 7,8,9 };
	ZH::list<A> L;
	L.push_back(aa);
	L.push_back(bb);
	L.push_back(cc);
	auto it = L.begin();
	while (it != L.end())
	{
		//⭐it->得到的是節點的地址
		//本應是it->->a，編譯器做了特殊處理
		cout << it->a << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;
}

void Test5()
{
	ZH::list<int> L1;
	L1.push_back(0);
	L1.push_back(1);
	L1.push_back(2);
	L1.push_back(3);
	PrintList(L1);
	cout << L1.back() << endl;
	cout << L1.front() << endl;
	cout << L1.size() << endl;
	L1.clear();
	cout << L1.size() << endl;
}
 void Test6()
 {
	 ZH::list<int> L1;
	 L1.push_back(0);
	 L1.push_back(1);
	 L1.push_back(2);
	 L1.push_back(3);
	 PrintList(L1);
	 //區間刪除
	 /*L1.erase(L1.begin(), L1.end());
	 PrintList(L1);*/

	 ZH::list<int> L2;
	 L2.push_back(1);
	 L2.push_back(2);
	 L2.push_back(3);
	 L2.push_back(4);
	 L2.push_back(5);
	 PrintList(L2);
	 L1.swap(L2);
	 PrintList(L1);
	 PrintList(L2);
 }

int main()
{
	Test6();
	system("pause");
	return 0;
}

總結

以上為個人經驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支援it145.com。


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    2021-06-01 09:32:01

  • 黑科技的輕簡出行，告別「電量焦慮症」：Anker氮化鎵超能充系列 黑科技的輕簡出行，告別「電量焦慮症」：Anker氮化鎵超能充系列

    综合看Anker超能充系列的性价比很高，并且与不仅和iPhone12/苹果<em>Mac</em>Book很配，而且适合多设备充电需求的日常使用或差旅场景，不管是安卓还是Switch同样也能用得上它，希望这次分享能给准备购入充电器的小伙伴们有所

    2021-06-01 09:31:42

  • 吳亦凡廠牌首秀，L4WUDU居然忘詞了，Rapper和明星比還是有差距！ 吳亦凡廠牌首秀，L4WUDU居然忘詞了，Rapper和明星比還是有差距！

    除了L4WUDU与吴亦凡已经多次共事，成为了明面上的厂牌成员，吴亦凡还曾带领20XXCLUB全队参加2020年的一场音乐节，这也是20XXCLUB首次全员合照，王嗣尧Turbo、陈彦希Regi、<em>Mac</em> Ova Seas、林渝植等人全部出场。然而让

    2021-06-01 09:31:34

  • IPFS、Chia、Bzz和ICP挖礦該怎麼選？哪一個更有優勢？ IPFS、Chia、Bzz和ICP挖礦該怎麼選？哪一個更有優勢？

    目前应用IPFS的机构：1 谷歌<em>浏览器</em>支持IPFS分布式协议 2 万维网 (历史档案博物馆)数据库 3 火狐<em>浏览器</em>支持 IPFS分布式协议 4 EOS 等数字货币数据存储 5 美国国会图书馆，历史资料永久保存在 IPFS 6 加

    2021-06-01 09:31:24

  • 有哪些事是買了雪佛蘭後才知道的？美事偷著樂，開拓者車主隨聊 有哪些事是買了雪佛蘭後才知道的？美事偷著樂，開拓者車主隨聊

    开拓者的车机是兼容苹果和<em>安卓</em>，虽然我不怎么用，但确实兼顾了我家人的很多需求：副驾的门板还配有解锁开关，有的时候老婆开车，下车的时候偶尔会忘记解锁，我在副驾驶可以自己开门：第二排设计很好，不仅配置了一个很大的

    2021-06-01 09:30:48

  • iPhone12在618最新定價，跌價幅度超過1400元，還等iPhone13嗎？ iPhone12在618最新定價，跌價幅度超過1400元，還等iPhone13嗎？

    不仅是<em>安卓</em>手机，苹果手机的降价力度也是前所未有了，iPhone12也“跳水价”了，发布价是6799元，如今已经跌至5308元，降价幅度超过1400元，最新定价确认了。iPhone12是苹果首款5G手机，同时也是全球首款5nm芯片的智能机，它

    2021-06-01 09:30:45

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