c++之容器——list的源码模拟实现

Posted 2021-09-06 努力学习的少年

目录

1.list的概述

2.list的节点

3.list的迭代器

 4.list的数据结构

a.插入节点

b.删除节点

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1.list的概述

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。它的优点是每次插入或删除一个元素，就配置或释放一个元素的空间。所以对于空间的管理比较精准，一点也不浪费。而且对于任何的元素插入或删除，它的 时间复杂度为O（1） ，非常高效。

2.list的节点

list本身与list的节点是不同的结构，需要分开设计。

	template<class T>
	struct _list_node//定义节点
	{
		_list_node(const T& val=T())
			:_val(val)
			,_prev(nullptr)
			,_next(nullptr)
		{

		}
		T _val;//存储数据
		_list_node<T>* _next;//存储下一个节点的地址
		_list_node<T>* _prev;//存储上一个节点的地址
	};

 显然这是一个双向链表

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3.list的迭代器

list不能够像vector一样以普通指针作为迭代器，因为它的节点不能保证在空间上的地址是连续存在的，迭代器的特点是需要能够像指针一样递增，递减，取值等操作，所以我们设计list迭代器需要用一个类来进行包装设计。

以下是list迭代器的主要设计：

   //定义三个模板参数是为了让下面的list链表对const和非const实例化出两种不同类型的迭代器
  template<class T,class Ref,class Ptr>
	struct _list_iterator
	{
		typedef _list_node<T>node;//将_list_node<T>类型起一个node的名字
		typedef _list_iterator<T,Ref,Ptr> self;
		node* _pnode;//指向list节点的指针
		_list_iterator(node* pnode)//迭代器的构造函数
			:_pnode(pnode)
		{

		}
		//拷贝构造、operator、析构我们不写，编译器生成可以用

		Ref operator* ()//迭代器取值，取得是节点内的值
		{
			return _pnode->_val;
		}

		Ptr operator->()
		{
			return &_pnode->_val;
		}



		bool operator !=(const self& s)const//判断节点的地址不相等
		{
			return _pnode != s._pnode;
		}

		bool operator ==(const self& s)const//判断节点的地址相等
		{
			return _pnode == s._pnode;
		}

		self operator++()//对迭代器进行加1，前进一个节点
		{
			_pnode = _pnode->_next;
			return _pnode;
		}

		self operator++(int)//后置加加
		{
			self tmp(this->_pnode);
			_pnode = _pnode->_next;
			return tmp;
		}


		self operator--()//对迭代器进行减1，后退一个节点
		{
			_pnode = _pnode->_prev;
			return _pnode;
		}

		self operator--(int)//后置减减
		{
			self tmp(this->_pnode);
			_pnode = _pnode->_prev;
			return tmp;
		}
	};

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 4.list的数据结构

接下来我要设计的list结构不仅是双向链表，而且是带头双向循环链表

什么是带头双向循环链表？

首先链表分为：单/双， 循环不循环，带头/不带头，上面可以两两组合，所以总共有8种链表，所以我们来看每种特殊链表是怎样的。

双向链表：每个节点可以存储两个地址，使链表看起来具有双向结构
 

 循环链表：最后一个节点存储第一个节点的地址，使链表成一个循环结构

 带头链表：

带头节点就是多一个哨兵位节点，这个节点不是用来存储数据，是用来存储第一个节点的地址。

 带头双向循环链表：

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 结合上面的节点和迭代器的设计，list的实现如下：

template<class T>
	class list
	{
	public:
		typedef _list_iterator<T,T&,T*>  iterator;
		typedef _list_iterator<T, const T&, const T*>  const_iterator;//命名
		typedef _list_node<T>   node;

      list()//链表的构造函数，创建一个哨兵位节点出来
		{
			//_head = new node(T());
			_head = new node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}

      list(const list<T>& lt)//拷贝构造函数
		{
			_head = new node;//创建一个新的哨兵为节点
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
			for (auto& e : lt)//取出lt链表中的值,然后插入到新链表中
			{
				push_back(e);
			}
		}

		//链表t是由拷贝构造函数构造出来的临时变量，
		//与原本链表的哨兵位节点进行交换即交换整个链表
		//离开函数后，t的生命周期就结束，就会去调用析构函数销毁掉
		list<T> operator=(list<T> t)
		{
			swap(_head, t._head);
			return *this;
		}

       iterator begin() //返回的链表中第一个节点的地址
		{
			return iterator(_head->_next);
		}

		const_iterator  begin()const //const类型的迭代器
		{
			return const_iterator(_head->_next);
		}

		iterator end()//返回哨兵位节点的地址
		{
			return iterator(_head);
		}

		const_iterator end()const//const类型的迭代器
		{
			return const_iterator(_head);
		}


        void clear()//清掉所有节点，除了哨兵位节点
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it=erase(it);
			}
		}

		~list()
		{
			clear();//先清掉所有节点
			delete _head;//再清掉哨兵位节点
			_head = nullptr;
		}


       size_t size()//返回链表中有多少个值
		{
			iterator it = begin();
			size_t sz = 0;
			while (it != end())
			{
				sz++;
				it++;
			}
		}
private:
		node* _head;
	};

注意：const类型list会自动调用const类型的迭代器，非const类型的list会自动调用非cosnt的迭代器。 

 链表中的end（）和begin（）的位置：如下

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a.插入节点

void insert(iterator pos, const T& x)//在pos位置插入一个节点
		{
			node* newnode = new node(x);//创建一个新节点，会调用node的构造函数
            //调整双向指针，使newnode到链表里去
			node* prev = pos._pnode->_prev;
			newnode->_prev = prev;
			prev->_next = newnode;
			newnode->_next = pos._pnode;
			pos._pnode->_prev = newnode;
		}

在pos位置之前插入一个4的节点：

保存pos位置的上一个节点地址，将新节点与pos位置的节点和上一个节点进行互相连接即可。

       void push_back(const T& x)//在链表的最后一个位置插入节点
		{
			insert(end(), x);
		}
       void push_Front(const T& x)//在链表的第一个位置插入节点
		{
			insert(_head->_next,x);
		}

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b.删除节点

        iterator erase(iterator pos)//在pop位置删除掉一个节点
		{
			assert(pos._pnode );
			assert(pos != end());
			node* prev = pos._pnode->_prev;//保存上一个节点的地址
			node* next = pos._pnode->_next;//保存上一个节点的地址
			delete pos._pnode;//删除节点
            //互相连接
			prev->_next = next;
			next->_prev = prev;
			return iterator(next);//在返回下一个节点的地址
		}

删除pos位置的节点，先保存pos位置的上一个节点和下一个节点地址，然后删除掉pos位置的节点，再把上一个节点和下一个节点连接起来。 为了防止迭代器失效，在返回下一个节点的地址。

       void pop_front()//删除第一个节点
		{
			erase(_head->_next);
		}
		

		void pop_back()//删除最后一个节点的值
		{
			erase(_head->_prev);
		}

		void clear()//清掉所有节点，除了哨兵位节点
		{
			iterator it = begin();
			while (it != end())
			{
				it=erase(it);
			}
		}
        ~list()
		{
			clear();//先清掉所有节点
			delete _head;//再清掉哨兵位节点
			_head = nullptr;
		}

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