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【C++笔记】list结构剖析及其模拟实现

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前言

哈喽，各位小伙伴大家好!上期我们讲了vector和深浅拷贝。今天我们来讲一下list及其实现。话不多说，我们进入正题！向大厂冲锋

一 .list的结构及其介绍

1.1list的结构

list的底层结构是一个带哨兵位头结点的双向链表。

1.2list的使用

list中的接口比较多，此处类似，只需要掌握如何正确的使用，然后再去深入研究背后的原理，已达到可扩展的能力。以下为list中一些常见的重要接口。

• 构造
  
• 迭代器
  此处，大家可暂时将迭代器理解成一个指针，该指针指向list中的某个节点。
  
  

需要注意的是list的不支持下标+[]。
因为之前像vector这样底层连续的空间。直接用+指针下标即可索引到目标值。
但是list空间不连续。所以需要遍历n次依次移动才可以。所以时间复杂度是O(n).
语法上可以实现，但是可行性上成本很高所以list没有实现operator[]。

【注意】

1. begin与end为正向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向后移动
2. rbegin(end)与rend(begin)为反向迭代器，对迭代器执行++操作，迭代器向前移动

这就是list的迭代器。

• list capacity
  

• list element access
  

• list modifiers
  

• emplace_back
  emplace_back这个接口和push_back差不多。

只是emplace_back支持传构造自定义对象的参数。
所以这种场景下emplace_back更高效。少了依次拷贝构造

• splice
  这里接口的主要功能是将一个链表的节点转移到另一个链表。
  也可以调整当前链表的节点顺序。
  
  转移链表的节点
  调整当前链表
  

1.3迭代器划分

根据功能和性质可以将迭代器这样划分

而迭代器的底层结构决定了他的性质。
例如vector底层结构连续就可支持随机访问。
同时迭代器的性质决定了可以使用那些算法。
例如算法库的sort算法就要求是随机迭代器。

因为他的底层是快排。需要支持随机访问和下标±[]。
所以list不可以库的sort，因为他不支持随机迭代器。
所以list自己支持了一个sort

同时C++库里对迭代器的定义使用了继承的概念。子类就是特殊的父类

如果我们想查看某个容器的迭代器就去官网查看即可。

二.list的模拟实现

list因为底层空间不连续所以迭代器我们要用模版封装起来 节点也用模版封装起来
list也是模版封装。

2.1 list结构的定义

template<class T>
struct list_node 
{T data;list_node<T>* prev;list_node<T>* next;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;
};
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;private:Node* _head;size_t _size;
};

2.2iterator迭代器

• operator±

operator±我们只需要手动让迭代器指向前后位置即可。

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

• operator* 和operator->
  operator*就直接返回data即可。
  这里为了支持T是自定义类型指针访问数据。
  我们需要支持operator->取出节点data的地址。
  同时为了防止const_iterator和iterator两个类模版冗余，
  并且这两个模版只有这两个函数的返回值不同。
  *返回T& ->返回T *
  我们让list和list_iterator多加两个模版参数，让这两个模版参数做返回值即可。

Ref operator*()
{return _node->data;
}
Ptr operator->()
{return &_node->data;
}

需要注意的是如果T是自定义类型
那it->a1这里是省略了一个->.

• operator++ - -
  这里我们自己手动移动_node即可。
  如果后置++ - -我们先拷贝一份当前位置再移动即可。

self& operator++()
{_node = _node->next;return *this;
}
self& operator--()
{_node = _node->prev;return *this;
}
self& operator--(int)
{self tmp(*this);_node = _node->prev;return tmp;
}
self& operator++(int)
{self tmp(*this);_node=_node->next;return *this;
}

这里return *this会调用迭代器的拷贝构造。
但是我们不用写。因为编译器会自动生成一份浅拷贝的拷贝构造。
那浅拷贝会不会有问题呢？

不会，因为我们要的就是浅拷贝。

• operator!=和operator==
  operator!=和operator==直接判断指针是否相等即可。

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

2.3list迭代器

迭代器我们直接返回哨兵位的下一个数据节点和哨兵位节点即可

iterator begin()
{return _head->next;
}
iterator end()
{return _head;
}
const_iterator begin() const
{return _head->next;
}
const_iterator end() const
{return _head;
}

2.3构造

我们先写一个初始化链表的函数。
new一个哨兵位节点。让节点的前后指针都指向自己即可。

void empty_init()
{_head = new Node;_head->next = _head;_head->prev = _head;_size = 0;
}
list()
{empty_init();
}

2.4拷贝构造

拷贝构造我们先初始化链表，然后把链表节点尾插到新链表即可

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

2.5 operator=

这里我们让先拷贝一份形参list,然后交换list和*this即可。函数结束后list自动销毁。

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

2.6 insert

insert要在某个位置插入数据。
我们new开一个节点，将前后节点和newnode连接起来即可。

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

2.7 erase

erase连接前后节点。释放pos位置的节点即可。
同时防止释放哨兵位的头结点。

iterator erase(iterator pos)
{assert(pos != end());//防止销毁哨兵位的头结点Node* next = pos._node->next;Node* prev = pos._node->prev;next->prev = prev;prev->next = next;delete pos._node;//释放原节点--_size;return next;
}

2.8 clear

clear只需要从begin开始erase节点即可。注意erase后迭代器失效，要接受返回值也就是下一个位置的迭代器。

void clear()
{auto it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}
}

2.9析构函数

复用clear清空节点后，释放哨兵位节点，再把_head置空即可。

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

三.按需实例化

编译器对模版是按需实例化。
调用了才会实例化，不调用就不会实例化。

四.迭代器失效

• insert
  list的insert不会导致迭代器失效。
  
  

• erase
  erase迭代器失效
  

五.initializer_list

C++11中，list还可以这样初始化。
用一个花括号括起来，里面就是初始化的内容。

这主要与initializer_list类型有关。C++11标准库之后可以认为花括号括起来的类型就是initializer_list。

它的底层在栈上开一个数组把初始化内容存起来，initializer_list对象有两个指针。
一个指针指向数据的开始，一个指针指向结束。

它支持这几个成员。

迭代器支持只读

所以我们要支持一个initializer_list的list构造即可实现花括号初始化。

	list(initializer_list<T> il){empty_init();for (auto& x : il)//支持迭代器就是支持范围for{push_back(x);}}

支持迭代器就支持范围for.
将initializer_list存储的数据拿来尾插即可。

后言

这就是list结构剖析及其模拟实现。大家自己好好消化。今天就分享到这，感谢各位的耐心垂阅！咱们下期见！拜拜~