本章我们来模拟实现一下list，深入了解一下list的底层运行原理！
目录
1. list的模拟实现
1.1 模拟实现list
要模拟实现list，必须要熟悉list的底层结构以及其接口的含义，通过之前的学习，这些内容已基本掌握，现在我们来模拟实现list。
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>
namespace mylist
{
// List的节点类
template<class T>
struct ListNode
{
ListNode(const T& val = T())
: _prev(nullptr)
, _next(nullptr)
, _val(val)
{}
ListNode<T>* _prev;
ListNode<T>* _next;
T _val;
};
/*
List 的迭代器
迭代器有两种实现方式，具体应根据容器底层数据结构实现：
1. 原生态指针，比如：vector
2. 将原生态指针进行封装，因迭代器使用形式与指针完全相同，因此在自定义的类中必须实现以下方法：
1. 指针可以解引用，迭代器的类中必须重载operator*()
2. 指针可以通过->访问其所指空间成员，迭代器类中必须重载oprator->()
3. 指针可以++向后移动，迭代器类中必须重载operator++()与operator++(int)
至于operator--()/operator--(int)释放需要重载，根据具体的结构来抉择，双向链表可以向前 移动，所以需要重载，如果是forward_list就不需要重载--
4. 迭代器需要进行是否相等的比较，因此还需要重载operator==()与operator!=()
*/
template<class T, class Ref, class Ptr>
class ListIterator
{
typedef ListNode<T> Node;
typedef ListIterator<T, Ref, Ptr> Self;
// Ref 和 Ptr 类型需要重定义下，实现反向迭代器时需要用到
public:
typedef Ref Ref;
typedef Ptr Ptr;
public:
//
// 构造
ListIterator(Node* node = nullptr)
: _node(node)
{}
//
// 具有指针类似行为
Ref operator*()
{
return _node->_val;
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
//
// 迭代器支持移动
Self& operator++()
{
_node = _node->_next;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
Self temp(*this);
_node = _node->_next;
return temp;
}
Self& operator--()
{
_node = _node->_prev;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
Self temp(*this);
_node = _node->_prev;
return temp;
}
//
// 迭代器支持比较
bool operator!=(const Self& l)const
{
return _node != l._node;
}
bool operator==(const Self& l)const
{
return _node != l._node;
}
Node* _node;
};
template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{
// 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的一个类型，而不是静态成员变量
// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量
// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
public:
typedef typename Iterator::Ref Ref;
typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
public:
//
// 构造
ReverseListIterator(Iterator it)
: _it(it)
{}
//
// 具有指针类似行为
Ref operator*()
{
Iterator temp(_it);
--temp;
return *temp;
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
//
// 迭代器支持移动
Self& operator++()
{
--_it;
return *this;
}
Self operator++(int)
{
Self temp(*this);
--_it;
return temp;
}
Self& operator--()
{
++_it;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
Self temp(*this);
++_it;
return temp;
}
//
// 迭代器支持比较
bool operator!=(const Self& l)const
{
return _it != l._it;
}
bool operator==(const Self& l)const
{
return _it != l._it;
}
Iterator _it;
};
template<class T>
class list
{
typedef ListNode<T> Node;
public:
// 正向迭代器
typedef ListIterator<T, T&, T*> iterator;
typedef ListIterator<T, const T&, const T&> const_iterator;
// 反向迭代器
typedef ReverseListIterator<iterator> reverse_iterator;
typedef ReverseListIterator<const_iterator> const_reverse_iterator;
public:
///
// List的构造
list()
{
CreateHead();
}
list(int n, const T& value = T())
{
CreateHead();
for (int i = 0; i < n; ++i)
push_back(value);
}
template <class Iterator>
list(Iterator first, Iterator last)
{
CreateHead();
while (first != last)
{
push_back(*first);
++first;
}
}
list(const list<T>& l)
{
CreateHead();
// 用l中的元素构造临时的temp,然后与当前对象交换
list<T> temp(l.begin(), l.end());
this->swap(temp);
}
list<T>& operator=(list<T> l)
{
this->swap(l);
return *this;
}
~list()
{
clear();
delete _head;
_head = nullptr;
}
///
// List的迭代器
iterator begin()
{
return iterator(_head->_next);
}
iterator end()
{
return iterator(_head);
}
const_iterator begin()const
{
return const_iterator(_head->_next);
}
const_iterator end()const
{
return const_iterator(_head);
}
reverse_iterator rbegin()
{
return reverse_iterator(end());
}
reverse_iterator rend()
{
return reverse_iterator(begin());
}
const_reverse_iterator rbegin()const
{
return const_reverse_iterator(end());
}
const_reverse_iterator rend()const
{
return const_reverse_iterator(begin());
}
///
// List的容量相关
size_t size()const
{
Node* cur = _head->_next;
size_t count = 0;
while (cur != _head)
{
count++;
cur = cur->_next;
}
return count;
}
bool empty()const
{
return _head->_next == _head;
}
void resize(size_t newsize, const T& data = T())
{
size_t oldsize = size();
if (newsize <= oldsize)
{
// 有效元素个数减少到newsize
while (newsize < oldsize)
{
pop_back();
oldsize--;
}
}
else
{
while (oldsize < newsize)
{
push_back(data);
oldsize++;
}
}
}
// List的元素访问操作
// 注意：List不支持operator[]
T& front()
{
return _head->_next->_val;
}
const T& front()const
{
return _head->_next->_val;
}
T& back()
{
return _head->_prev->_val;
}
const T& back()const
{
return _head->_prev->_val;
}
// List的插入和删除
void push_back(const T& val)
{
insert(end(), val);
}
void pop_back()
{
erase(--end());
}
void push_front(const T& val)
{
insert(begin(), val);
}
void pop_front()
{
erase(begin());
}
// 在pos位置前插入值为val的节点
iterator insert(iterator pos, const T& val)
{
Node* pNewNode = new Node(val);
Node* pCur = pos._node;
// 先将新节点插入
pNewNode->_prev = pCur->_prev;
pNewNode->_next = pCur;
pNewNode->_prev->_next = pNewNode;
pCur->_prev = pNewNode;
return iterator(pNewNode);
}
// 删除pos位置的节点，返回该节点的下一个位置
iterator erase(iterator pos)
{
// 找到待删除的节点
Node* pDel = pos._node;
Node* pRet = pDel->_next;
// 将该节点从链表中拆下来并删除
pDel->_prev->_next = pDel->_next;
pDel->_next->_prev = pDel->_prev;
delete pDel;
return iterator(pRet);
}
void clear()
{
Node* cur = _head->_next;
// 采用头删除删除
while (cur != _head)
{
_head->_next = cur->_next;
delete cur;
cur = _head->_next;
}
_head->_next = _head->_prev = _head;
}
void swap(bite::list<T>& l)
{
std::swap(_head, l._head);
}
private:
void CreateHead()
{
_head = new Node;
_head->_prev = _head;
_head->_next = _head;
}
private:
Node* _head;
};
}
///
// 对模拟实现的list进行测试
// 正向打印链表
template<class T>
void PrintList(const bite::list<T>& l)
{
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl;
}
// 测试List的构造
void TestBiteList1()
{
mylist::list<int> l1;
mylist::list<int> l2(10, 5);
PrintList(l2);
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0 };
mylist::list<int> l3(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
PrintList(l3);
mylist::list<int> l4(l3);
PrintList(l4);
l1 = l4;
PrintList(l1);
}
// PushBack()/PopBack()/PushFront()/PopFront()
void TestBiteList2()
{
// 测试PushBack与PopBack
mylist::list<int> l;
l.push_back(1);
l.push_back(2);
l.push_back(3);
PrintList(l);
l.pop_back();
l.pop_back();
PrintList(l);
l.pop_back();
cout << l.size() << endl;
// 测试PushFront与PopFront
l.push_front(1);
l.push_front(2);
l.push_front(3);
PrintList(l);
l.pop_front();
l.pop_front();
PrintList(l);
l.pop_front();
cout << l.size() << endl;
}
// 测试insert和erase
void TestBiteList3()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
mylist::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
auto pos = l.begin();
l.insert(l.begin(), 0);
PrintList(l);
++pos;
l.insert(pos, 2);
PrintList(l);
l.erase(l.begin());
l.erase(pos);
PrintList(l);
// pos指向的节点已经被删除，pos迭代器失效
cout << *pos << endl;
auto it = l.begin();
while (it != l.end())
{
it = l.erase(it);
}
cout << l.size() << endl;
}
// 测试反向迭代器
void TestBiteList4()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
mylist::list<int> l(array, array + sizeof(array) / sizeof(array[0]));
auto rit = l.rbegin();
while (rit != l.rend())
{
cout << *rit << " ";
++rit;
}
cout << endl;
const mylist::list<int> cl(l);
auto crit = l.rbegin();
while (crit != l.rend())
{
cout << *crit << " ";
++crit;
}
cout << endl;
}1.2 list的反向迭代器
通过前面例子知道，反向迭代器的++就是正向迭代器的-- ，反向迭代器的--就是正向迭代器的++ ，因此反向迭 代器的实现可以借助正向迭代器，即：反向迭代器内部可以包含一个正向迭代器，对正向迭代器的接口进行 包装即可。
template<class Iterator>
class ReverseListIterator
{
// 注意：此处typename的作用是明确告诉编译器，Ref是Iterator类中的类型，而不是静态成员变 量
// 否则编译器编译时就不知道Ref是Iterator中的类型还是静态成员变量
// 因为静态成员变量也是按照 类名::静态成员变量名 的方式访问的
public:
typedef typename Iterator::Ref Ref;
typedef typename Iterator::Ptr Ptr;
typedef ReverseListIterator<Iterator> Self;
public:
//
// 构造
ReverseListIterator(Iterator it): _it(it){}
//
// 具有指针类似行为
Ref operator*(){
Iterator temp(_it);
--temp;
return *temp;
}
Ptr operator->(){ return &(operator*());}
//
// 迭代器支持移动
Self& operator++(){
--_it;
return *this;
}
Self operator++(int){
Self temp(*this);
--_it;
return temp;
}
Self& operator--(){
++_it;
return *this;
}
Self operator--(int)
{
Self temp(*this);
++_it;
return temp;
}
//
// 迭代器支持比较
bool operator!=(const Self& l)const{ return _it != l._it;}
bool operator==(const Self& l)const{ return _it != l._it;}
Iterator _it;
};2. list与vector的对比
vector与list都是STL中非常重要的序列式容器，由于两个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不 同，其主要不同如下：
vector |
list |
|
底 层 结 构 |
动态顺序表， 一段连续空间 |
带头结点的双向循环链表 |
随 机 访 问 |
支持随机访问，访问某个元素效率O(1) |
不支持随机访问，访问某个元素 效率O(N) |
插 入 和 删 除 |
任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间复杂度为O(N)，插入时有可能需要增容，增容：开辟新空间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低 |
任意位置插入和删除效率高，不需要搬移元素，时间复杂度为O(1) |
空 间 利 用 率 |
底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利用率 高，缓存利用率高 |
底层节点动态开辟，小节点容易 造成内存碎片，空间利用率低， 缓存利用率低 |
迭 代 器 |
原生态指针 |
对原生态指针(节点指针)进行封装 |
迭 代 器 失 效 |
在插入元素时，要给所有的迭代器重新赋值，因为插入元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，删除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效 |
插入元素不会导致迭代器失效，删除元素时，只会导致当前迭代器失效，其他迭代器不受影响 |
使 用 场 景 |
需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率 |
大量插入和删除操作，不关心随 机访问 |
本章完！