【c++篇】：掌握list--实用的基本使用方法与模拟实现思路

2024-11-09 07:49:47

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文章目录

前言
一.list的基本概念和使用
- 基本概念
- 基本操作使用
二.模拟实现list
- 1.节点类（_list_node)模拟实现
- 2.迭代器类（_list_iterator)模拟实现
- - 基本框架
  - 成员函数
- 3.链表类(list)模拟实现
- - 基本框架
  - 默认成员函数
  - 迭代器成员函数
  - 插入成员函数
  - 删除成员函数
三.模拟实现完整代码
- `list.h`文件
- `test.cpp`文件

前言

在C++编程中，数据结构是理解和应用算法的基础。列表list作为线性数据结构的一种，它提供了有序的元素集合，支持高效的插入和删除操作。掌握list的基本使用和模拟实现，不仅有助于加深对数据结构的理解，也是提高编程能力的关键。
本文将深入探讨list的基本概念、常见操作以及模拟实现方法。我们将从list的定义开始，逐步介绍如何使用标准库中的list类，并进一步探讨如何手动模拟实现一个简单的list数据结构。通过理论与实践的结合，帮助读者更好地理解和运用listt数据结构。

一.list的基本概念和使用

在C++中，list 是一种双向链表容器，属于标准模板库（STL）的一部分。

基本概念

定义：list 是一个序列容器，它允许非连续内存分配，并通过双向链表来管理元素。这意味着list 支持常数时间内的任意位置插入和删除操作，但随机访问元素的时间复杂度较高（因为要顺序查找）。
结构：list 由一系列节点组成，每个节点包含数据部分(_val)和指向前一个(_prev)及后一个(_next)节点的指针。这种结构使得list 在插入和删除操作时不需要移动大量数据，只需调整指针即可。
迭代器：list 提供了双向迭代器，支持向前和向后遍历元素。但需要注意的是，list 的迭代器不是随机访问迭代器（因为内存地址不是连续的），因此不支持通过加减整数来直接访问某个位置的元素，只能（++/–)。

基本操作使用

创建和初始化：
- 使用默认构造函数创建一个空list对象：
```
std::list<int> mylist;
```
- 使用初始化列表创建list：
```
std::list<int> mylist={1,2,3,4,5};
```

添加元素：

在末尾添加元素：

//mylist:1,2,3,4,5
//调用尾插函数push_back()
mylist.push_back(6);

在开头添加元素：

//mylist:1,2,3,4,5,6
//调用头插函数push_front()
mylist.push_front(0);

在指定位置插入元素：

//mylist:0,1,2,3,4,5,6
//获取begin位置的迭代器
std::list<int>::iterator it=mylist.begin();
//迭代器it++,指向下一个位置的迭代器
it++;

//在迭代器it位置前，也就是元素1前插入10
//调用插入函数insert()
it=mylist.insert(it.10);

删除元素：

删除指定位置的元素：

//mylist:0,10,1,2,3,4,5,6
//删除第二个元素10
std::list<int>::iterator it=mylist.begin();
it++;
//调用删除函数erase()
it=erase(it);

删除第一个元素：

//mylist:0,1,2,3,4,5,6
//调用头删函数pop_front
mylist.pop_front();

删除最后一个元素：

//mylist:1,2,3,4,5,6
//调用尾删函数pop_back
mylist.pop_back();

清空整个list：

//调用清空函数clear()
mylist.clear();

访问元素：
- 由于list不是随机访问容器，因此不能通过索引直接访问元素。但可以使用迭代器遍历list来访问元素：
```
std::list<int>::iterator it=mylist.begin();
while(it!=mylist.end()){
    cout<<*it<<" "
}
cout<<endl;
```
大小和容量：
- 获取list中元素的数量：
```
//调用size()函数
size_t sz=mylist.size();
```
- 判断list是否为空：
```
//调用empty()函数
bool ret=mylist.empty();
```
注意：list和string，vector这两个类不同的是，list的大小也就是存储的元素个数就是容量，不再区分，size和capacity

排序和查找：

对list进行排序：

//list类中有自己的sort()函数,也可以使用算法库函数里面的
mylist.sort();

查找元素（返回迭代器）：

//list类中没有find()函数，所以只能有算法库函数里面的
//查找值为4的迭代器位置
auto it=mylist.find(mylist.begin(),mylist.end(),4);

二.模拟实现list

上面我们了解完了如何使用list，接下来，我们将自己模拟实现一个属于自己的list，模拟实现可以帮助我们更好地了解list的底层结构，让我们更好的使用和理解list这个数据结构，而list作为一个双向循环链表，实现一个基本的list需要分别设计三个不同的类，节点类(_list_node)，用来封装节点结构；链表类(list)，用来封装链表的成员函数和链表结构；迭代器类(_list_iterator)，用来封装迭代器。

注意：list类和vector类，string类不同的是，list类需要对迭代器单独使用一个类进行封装，主要原因是因为它们的底层数据结构特性和访问方式的不同

list的底层数据结构：
- list是基于链表实现的，链表的节点在内存中的存储位置是不连续的。
- 为了在链表中实现顺序访问（即，通过迭代器逐一访问链表中的元素），需要设计一个迭代器类来封装链表节点的指针（可以理解为，迭代器类中的成员变量表示的是一个节点的指针），并通过运算符重载（如++、--、*等）来模拟指针的行为。
- 迭代器类内部维护一个指向当前节点的指针，并通过这些运算符重载来移动到下一个或上一个节点，或访问当前节点的数据。
vector和string的底层数据结构：
- vector和string是基于数组实现的，它们的元素在内存中是连续存储的。
- 由于数组元素的连续性，可以直接使用原生指针（即数组元素的地址）作为迭代器，而无需额外的封装。
- 原生指针自然支持顺序访问（通过指针加减来访问相邻元素），因此vector和string的迭代器本质上就是原生指针。

模拟实现的整体框架：

namespace Mylist{
    template<class T>
    struct _list_node{
        //.....
    };
    
    //迭代器类封装
    template<class T,class Ref,class Ptr>
    class _list_iterator{
        //.....
    };
    
    //链表类封装
    template<class T>
    class list{
        //.....
    };
}

1.节点类（_list_node)模拟实现

代码实现：

template<class T>
struct _list_node{
    //成员变量
    _list_node<T>* _prev;
    _list_node<T>* _next;
    T _val;
    
    //构造函数
    _list_node(const T& val=T())
        :_prev(nullptr)
        ,_next(nullptr)
        ,_val(val)
        {}
};

实现原理：
- 定义三个成员变量表示一个节点的结构：指向前一个节点的指针_prev，指向后一个节点的指针_next，存储的数据_val
- 构造函数初始化时，两个指针都设置为空指针，参数val=T()表示创建的匿名对象（在上一篇vector的模拟实现中有用到，不理解的可以看上一篇文章），自定义类型不如string类型调用对应的构造函数，内置类型也可以调用构造函数初始化。

2.迭代器类（_list_iterator)模拟实现

基本框架

代码实现：

template<class T,class Ref,class Ptr>
struct _list_iterator{
    typedef _list_node<T> node;
    typedef _list_iterator<T,Ref,Ptr> self;
    
    //成员变量
    node* _node;
    
    //构造函数
    _list_iterator(node* node)
        :_node(node)
        {}
    
    //....其他成员函数
};

实现原理：
- _list_iteartor是一个模板类，模版参数有三个，这里参数T比较好理解，表示的是存储的数据类型，而后面两个比较难理解，这里先不做解释，在后面讲到相关函数时在详细解释。
- 用typedef对两个类类型名重定义（方便实用），注意，模板类和普通的类有一点不同，普通类，类名就是类型；而模版类，类名加上模版参数才是类型。
- 成员变量是一个节点的指针，构造函数将参数节点指针初始化为迭代器（其实本质上还是指针，因为迭代器就是一种指针类型）。

成员函数

1.operator++函数：

代码实现：

//前置++
self& operator++(){
    _node=_node->_next;
    return *this;
}

//后置++
self operator++(int){
    self tmp(*this);
    _node=_node->_next;
    return tmp;
}

实现原理：
- 因为list的迭代器不能直接加减常数，所以只能++或–，而++又分为前置++和后置++
- 前置++，迭代器本身需要+1，并且返回的是+1后的迭代器，直接让当前节点指针指向下一个节点即可，返回类型是self&（_list_iterator<T,Ref,Ptr>&)
- 后置++，拷贝构造一个新的迭代器用来保存+1前的迭代器，对原本的迭代器+1，返回保存的迭代器，返回类型时self（_list_iterator<T,Ref,Ptr>)，因为保存的迭代器是一个局部变量，函数调用结束会销毁，所以不能用引用类型的返回。
- 后置++参数中的int是用来和前置++构成函数重载，进行区分

2.operator--函数：

代码实现：

//前置--
self& operator--(){
    _node=_node->_prev;
    return *this;
}

//后置--
self operator--(int){
    self tmp(*this);
    _node=_node->_prev;
    return tmp;
}

实现原理：
- –又分为前置–和后置–
- 前置–，迭代器本身需要-1，并且返回的是-1后的迭代器，直接让当前节点指针指向前一个节点即可，返回类型是self&（_list_iterator<T,Ref,Ptr>&)
- 后置–，拷贝构造一个新的迭代器用来保存-1前的迭代器，对原本的迭代器-1，返回保存的迭代器，返回类型时self（_list_iterator<T,Ref,Ptr>)，因为保存的迭代器是一个局部变量，函数调用结束会销毁，所以不能用引用类型的返回。
- 后置–参数中的int是用来和前置–构成函数重载，进行区分

3.operator!=函数：

代码实现：

bool operator!=(const selt& it){
    return _node!=it._node;
}

实现原理：
- 左参数迭代器和右参数迭代器判断是否不等，左参数迭代器是this，右参数迭代器是it
- 直接返回两个迭代器是否是同一个节点的指针

4.operator*函数：

代码实现：

T& operator*(){
    return _node->_val;
}
const T& operator*(){
    return _node->_val;
}

//使用模版参数合二为一
Ref operator*(){
    return _node->_val;
}

实现原理：
- 首先迭代器是一个指向节点的指针，对其解引用*，表示获取节点中的数据域（_val)存储的数据
- 返回节点中的数据域(_val)，返回类型是T&
- 这里有一个注意点，如果是对const类型的迭代器解引用*，直接将返回类型写成T&就会导致const类型的无法调用该函数，写成const T&才可以调用，所以为了解决这个问题，引入了第二个模版参数Ref，用来自动替换这两个不同的类型。

5.operator->函数：

代码实现：

T* operator->(){
    return &_node->_val;
}
const T* operator->(){
    return &_node->_val;
}

//使用模版参数合二为一
Ptr operator->(){
    return &-node->_val;
}

实现原理：
- ->运算符重载和*不同的是，operator*，返回的是节点中存储的数据_val的地址，返回类型是T*类型
- 和operator*一样，如果有const类型的迭代器使用->，返回类型直接写成T*会导致const类型的无法调用该函数，写成const T* 类型才可以调用，为了解决这个问题，引入了第三个模版参数Ptr，用来自动替换这两个不同的类型。

3.链表类(list)模拟实现

基本框架

代码实现：

template<class T>
class list{
    //节点类类型重定义，因为只在类内部使用，所以设置成私有
    typedef _list_node<T> node;
public:
    //迭代器类类型重定义
    typedef _list_iterator<T,T&,T*> iterator;
    typedef _list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;
    
    //...成员函数
    
    private:
    //成员变量
    node* _head; 
    size_t _size;
};

实现原理：
- 将节点类类型重定义，设置成私有，迭代器类类型重定义，设置成公有
- 成员变量声明一个哨兵节点，声明一个大小用来记录链表的节点个数

默认成员函数

1.构造函数代码实现：

void empty_init(){
    _head=new node;
    _head->_next=_head;
    _head->_prev=_head;
    _size=0;
}
//构造函数
list(){
    empty_init();
}

实现原理：
- 用一个函数将初始化的内容分开存放，这样方便拷贝构造函数直接调用
- 定义一个哨兵节点，该节点的前节点指针和后节点指针都指向该节点，将大小初始化为0

2.拷贝构造函数代码实现：

list(const list<T>& lt){
    empty_init();
    for(auto& e:lt){
        push_back(e);
    }
}

实现原理：
- 先用函数empty_init()函数初始化一个空链表，也就是被拷贝的链表
- 用范围for循环，将被拷贝的链表中的节点数据依次插入到拷贝的链表中完成拷贝

3.赋值运算符重载：

swap(list<T>& lt){
    std::swap(_head,lt._head);
    std::swap(_size,lt._size);
}
list<T>& operator=(list<T> lt){
    swap(lt);
    return *this;
}

实现原理：
- 用一个自己实现的交换函数，交换两个链表的哨兵节点和大小，就能达到赋值的效果
- 最后将被赋值的链表返回，返回类型是链表类类型list<T>，返回要引用返回

4.析构函数：

void clear(){
    auto it=begin();
    while(it!=end()){
        it=erase(it);
    }
    _size=0;
}
~list(){
    clear();
    delete _head;
    _head=nullptr;
}

实现原理：
- 用一个自己实现的清空函数，通过迭代器来依次删除链表中的每个节点，再讲大小置为0
- 析构函数调用清空函数后，在通过delete函数，释放哨兵节点，最后置为空指针

迭代器成员函数

1.begin()函数代码实现：

//普通对象类型的迭代器
iterator begin(){
    return _head->_next;
}
//const对象类型的迭代器
const_iterator begin()const {
    return _head->_next;
}

实现原理：

直接返回哨兵节点的下一个节点即可

2.end()函数代码实现：

//普通对象类型的迭代器
iterator end(){
    return _head;
}
//const对象类型的迭代器
const_iterator end()const {
    return _head;
}

实现原理：

直接返回哨兵节点即可

插入成员函数

1.insert()函数代码实现：

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

实现原理：
- 先创建需要插入的新节点newnode，然后找pos迭代器指向的当前节点cur，再找到pos当前指向的节点的前节点prev
- 将新节点插入到节点cur和prev中间即可

2.push_back()尾插函数代码实现：

void push_back(const T& x){
    //相当于在哨兵节点前插入
    insert(end(),x);
}

3.push_front()头插函数代码实现：

void push_front(const T& x){
    //相当于在第一个节点前插入，也就是哨兵节点的后一个节点
    insert(begin(),x);
}

删除成员函数

1.erase()删除函数代码实现：

iteraotr erase(iterator pos){
    assert(pos!=end());
    node* cur=pos._node;
    node* prev=cur->_prev;
    node* next=cur->_next;
    
    prev->_next=next;
    next->_prev=prev;
    return next;
}

实现原理：
- 首先断言判断pos是否是指向哨兵节点的迭代器，因为不能将哨兵节点删除
- 找到当前迭代器pos指向的节点，再找到前节点prev，后节点next
- 将pos指向的节点删除，返回next指向的节点，也就是删除节点的下一个节点

2**pop_back()尾删函数代码实现:**

void pop_back(){
    //相当于删除最后一个节点，也就是哨兵节点的前一个节点
    erase(--end);
}

3.pop_front()头删函数代码实现：

void pop_front(){
    //相当于删除第一个节点，也就是哨兵节点的后一个节点
    erase(begin());
}

三.模拟实现完整代码

`list.h`文件

#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<assert.h>
using namespace std;

namespace Mylist
{
    //节点类封装
    template<class T>
    struct list_node
    {
        //成员变量，前节点指针，后节点指针，存储的数据val
        list_node<T>* _next;
        list_node<T>* _prev;
        T _val;

        //构造函数  创造节点
        list_node(const T& val=T())
        :_next(nullptr)
        ,_prev(nullptr)
        ,_val(val)
        {}
    };

    //迭代器类封装
    template<class T,class Ref,class Ptr>
    struct _list_iterator
    { 
        typedef _list_iterator<T,Ref,Ptr> self;
        typedef list_node<T> node;
        //成员变量 一个节点的指针
        node* _node;

        //构造函数 将传入的节点指针变为迭代器
        _list_iterator(node* node)
        :_node(node)
        {}

        Ref operator*(){
            return _node->_val;
        }

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

        bool operator!=(const self& it){
            return _node!=it._node;
        }

        self& operator++(){
            _node=_node->_next;
            return *this;
        }

        self operator++(int){
            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 tmp;
        }


    };

    //链表类封装
    template<class T>
    class list
    {
        typedef list_node<T> node;

        void empty_init(){
             _head=new node;
            _head->_next=_head;
            _head->_prev=_head;
            _size=
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基本操作使用

二.模拟实现list

1.节点类（_list_node)模拟实现

2.迭代器类（_list_iterator)模拟实现

基本框架

成员函数

3.链表类(list)模拟实现

基本框架

默认成员函数

迭代器成员函数

插入成员函数

删除成员函数

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