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【STL】模拟实现简易 list

更新时间:2024-01-21

目录

1. 读源码

2. 框架搭建 

3. list 的迭代器

4. list 的拷贝构造与赋值重载

拷贝构造

赋值重载

5. list 的常见重要接口实现

operator--() 

insert 接口

erase 接口

push_back 接口

push_front 接口

pop_back 接口

pop_front 接口

size 接口

clear 接口

别忘了析构函数

源码分享

写在最后:


1. 读源码

读源码千万不能一行一行读啊,不然你就看晕在那里了,

我们先从核心框架开始抓取,比如说先找到 list 在哪:

 然后老规矩,我们先找他的成员变量:

那我们就来找找这个 link_type 是什么:

link_type 是 list_node*,list_node 是一个类类型,那我就知道了,

成员变量 node 就是链表的一个节点指针。

那问题又来了,有单链表,双链表,带头的链表等等,库里实现的是什么链表呢?

我们需要确定他的结构,还是老样子,我们先从构造函数和插入(核心)接口开始看:

我们先看看这个无参的构造是怎么实现的:

他先 get_node() 获取一个节点,然后再两个指针指向自己,

那我们基本就能确定这是一个带头双向循环的链表了。 

那我们奖励自己再看一眼他的 get_node() 吧

我们就可以看到他是通过空间配置器的接口开空间了,

再往下看其实就是定位 new 的那一套操作了。

我们继续接着来看 push_back() 接口是怎么样的:

 

我们可以看到,他这里就是复用的 insert,在 end() 位置插入,

 

他这里调用的就是这个 insert 的重载,就是普通的插入操作。

最后我们再来瞅一眼 node 这个节点类库里是怎么定义的:

他这里用了 void* 作为他的类型,我比较菜,不太懂这样做有什么妙用,

我就不这么麻烦去用 void* 作为我的指针类型了,不然之后每次用都得强转,我用 T* 就好了。

那么源码看到这里就差不多了,框架看的差不多了,到时候有问题再来看细节。

2. 框架搭建 

框架搭建主要就是把 list 的核心框架搭建出来,让代码快速跑起来:

#pragma once

#include 
#include 

#include 

using namespace std;

namespace xl {
	template
	struct list_node {
		list_node* _next;
		list_node* _prev;
		T _val;

		list_node(const T& val = T())
			: _next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _val(val)
		{}
	};

	template
	class list {
	public:
		typedef list_node Node;

	private:
		Node* _head;

	public:
		list()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}

	public:
		void push_back(const T& x) {
			Node* tail = _head->_prev;
			Node* newnode = new Node;
			
			tail->_next = newnode;
			newnode->_prev = tail;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;
		}

	};
}

这里我们实现了 list 的节点,以及 list 的构造函数和尾插接口,

来看看测试:

#include "list.h"

void test1() {
	xl::list lt1;
	lt1.push_back(1);
	lt1.push_back(2);
	lt1.push_back(3);
	lt1.push_back(4);

}

int main()
{
	test1();

	return 0;
}

通过调试来看结果:

我们确实是插入了 4 个节点,

你有没有觉得少了点什么,之前我们搭框架的时候都会实现一个基本的迭代器,

但是这次没有,问题来了, list 的迭代器很明显是不能用原生指针实现的,

毕竟你有见过链表能用指针或者说下标直接访问吗,那肯定是没见过,

那 list 的迭代器该怎么实现呢?

3. list 的迭代器

当我们不明白一件事情的时候,就去看源码是怎么做的:

找到了,但是更迷惑了,怎会有三个模板参数啊,

先就此打住,我们一点一点慢慢看,他的类型是一个类模板,那我们先去找到这个类:

我们看到这里,发现他是用一个叫 __list_iterator 的类来封装他的迭代器, 

而这个类的成员变量就是链表的节点:

那我们再来看看他的迭代器是怎么跑起来的(也就是++是怎么实现的)

我们发现这不就是让 node = node->next 的操作吗。

再来看看解引用的操作:

不出所料确实就是返回该节点的值,

但是他这个返回值的类型 reference 是啥东东呢?

这个是他的一个模板参数,看来看去,这源码很复杂,又有许多意义不明的操作,

我们还是先根据大思路上手试一下,遇到问题了再来细看源码的实现。

在搭完基本的架子之后,我们遇到了第一个问题,

begin 和 end 该指向什么位置?我们来看看库:

库里的 begin 返回的是第一个节点,end 返回的是哨兵位的头结点,

所以我们就这样实现即可:

iterator begin() {
	return _head->_next;
}

iterator end() {
	return _head;
}

这个时候你可能又有疑问了,迭代器不是自定义类型吗?他怎么能返回节点的指针呢?

这就又用到我们前面学的知识了:单参数的构造函数支持隐式类型转换:

__list_iterator(Node* node)
	: _node(node)
{}

是的,我们在迭代器的类里实现了这样一个东西。

然后我们再把解引用实现了:

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

最后还剩 ++ 和 != 需要实现:

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

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

这样我们的迭代器就跑通了,来看看测试:

void test2() {
	xl::list lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);

	xl::list::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end()) {
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

输出:

 这样我们的基本框架算是搭建完了:

#pragma once

#include 
#include 

#include 

using namespace std;

namespace xl {
	template
	struct list_node {
		list_node* _next;
		list_node* _prev;
		T _val;

		list_node(const T& val = T())
			: _next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _val(val)
		{}
	};

	template
	struct __list_iterator {
		typedef __list_iterator iterator;
		
		typedef list_node Node;

		Node* _node;

		__list_iterator(Node* node) 
			: _node(node)
		{}

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

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

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

	template
	class list {
	public:
		typedef list_node Node;

		typedef __list_iterator iterator;

		iterator begin() {
			return _head->_next;
		}

		iterator end() {
			return _head;
		}

	private:
		Node* _head;

	public:
		list()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}

	public:
		void push_back(const T& x) {
			Node* tail = _head->_prev;
			Node* newnode = new Node(x);
			
			tail->_next = newnode;
			newnode->_prev = tail;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;
		}

	};
}

所以这里我们可以得出一个小结论,

list 的迭代器是什么?他是通过对自定义类型的封装,改变了他的行为。

那我们继续,现在来设计实现一个 const 迭代器,

我们可以通过加 const 来完成这件事情:

如果我们想要重载一整份迭代器,那岂不是得重新写一份自定义的 const 迭代器?

那这样设计也太冗余了,凭空又多出一大坨代码,有没有什么更好的方法实现呢?

还记得我们一开始看库的时候,那两个意义不明的模板参数吗?

他们还是同一个类,但是传了不同的模板参数。

然后就增加了迭代器的模板参数:

然后他这里就把迭代器重命名成了 self,我们就跟着库里的来:

首先是传模板参数这里,因为我们暂时只需要传 T* 给解引用的重载,

所以暂时先设置这两个模板参数:

实际上,这种做法和我们一开始否决的冗余写法没有本质上的区别,

因为模板的实例化就是再生成一段代码,只不过这个工作原本是由我们做,

使用模板之后变成让编译器帮我做了。

这里我把这个阶段的代码也放出来:

#pragma once

#include 
#include 

#include 

using namespace std;

namespace xl {
	template
	struct list_node {
		list_node* _next;
		list_node* _prev;
		T _val;

		list_node(const T& val = T())
			: _next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _val(val)
		{}
	};

	template
	struct __list_iterator {
		typedef __list_iterator self;
		
		typedef list_node Node;

		Node* _node;

		__list_iterator(Node* node) 
			: _node(node)
		{}

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

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

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

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

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

	template
	class list {
	public:
		typedef list_node Node;

		typedef __list_iterator iterator;
		typedef __list_iterator const_iterator;

		iterator begin() {
			return _head->_next;
		}

		iterator end() {
			return _head;
		}

	private:
		Node* _head;

	public:
		list()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}

	public:
		void push_back(const T& x) {
			Node* tail = _head->_prev;
			Node* newnode = new Node(x);
			
			tail->_next = newnode;
			newnode->_prev = tail;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;
		}

	};
}

这里新的问题又来了,为什么库里是有三个模板参数呢?

我们来看看:

  

我们可以看到,还需要这个模板参数的是 -> 操作符的重载,

那事不宜迟,我们也来实现一下:

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

现在我们是正常的实现了这个操作符重载,

那这个操作符有什么应用场景吗?我们为什么要重载他?

来看这样一个场景:

struct A {
	A(int a1 = 0, int a2 = 0) 
		: _a1(a1)
		, _a2(a2)
	{}

	int _a1;
	int _a2;
};

void test3() {
	xl::list lt;
	lt.push_back({ 1, 1 });
	lt.push_back({ 2, 2 });
	lt.push_back({ 3, 3 });
	lt.push_back({ 4, 4 });

	xl::list::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end()) {
		cout << (*it)._a1 << (*it)._a2 << endl;
		it++;
	}
}

如果我们想取结构体内的成员,可以通过 (*it). 来取,

但是我们一般更喜欢使用 -> 直接取结构体成员:

struct A {
	A(int a1 = 0, int a2 = 0) 
		: _a1(a1)
		, _a2(a2)
	{}

	int _a1;
	int _a2;
};

void test3() {
	xl::list lt;
	lt.push_back({ 1, 1 });
	lt.push_back({ 2, 2 });
	lt.push_back({ 3, 3 });
	lt.push_back({ 4, 4 });

	xl::list::iterator it = lt.begin();
	while (it != lt.end()) {
		cout << it->_a1 << it->_a2 << endl;
		it++;
	}
}

这个就是重载 -> 的意义。

但是,你有没有发现有一些不太对劲的地方?

这个函数返回的只是一个指针,而调用这个操作符重载需要一个 -> ,

然后,使用这个指针去调用结构体成员还需要一个 -> ,那为什么这里只有一个 -> 呢?

实际上是为了代码的可读性,编译器特殊处理让我们可以省略一个 -> 。

明白了这个之后,我们就再来添加一个模板参数给他用。

那这样我们的大框架总算是搭好了:

#pragma once

#include 
#include 

#include 

using namespace std;

namespace xl {
	template
	struct list_node {
		list_node* _next;
		list_node* _prev;
		T _val;

		list_node(const T& val = T())
			: _next(nullptr)
			, _prev(nullptr)
			, _val(val)
		{}
	};

	template
	struct __list_iterator {
		typedef __list_iterator self;
		
		typedef list_node Node;

		Node* _node;

		__list_iterator(Node* node) 
			: _node(node)
		{}

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

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

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

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

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

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

	template
	class list {
	public:
		typedef list_node Node;

		typedef __list_iterator iterator;
		typedef __list_iterator const_iterator;

		iterator begin() {
			return _head->_next;
		}

		iterator end() {
			return _head;
		}

		const_iterator begin() const {
			return _head->_next;
		}

		const_iterator end() const {
			return _head;
		}

	private:
		Node* _head;

	public:
		list()
		{
			_head = new Node;
			_head->_next = _head;
			_head->_prev = _head;
		}

	public:
		void push_back(const T& x) {
			Node* tail = _head->_prev;
			Node* newnode = new Node(x);
			
			tail->_next = newnode;
			newnode->_prev = tail;
			newnode->_next = _head;
			_head->_prev = newnode;
		}

	};
}

4. list 的拷贝构造与赋值重载

拷贝构造

直接通过复用 push_back 来完成拷贝构造。

list(const list& lt)
{
	_head = new Node;
	_head->_next = _head;
	_head->_prev = _head;

	for (auto& e : lt) {
		push_back(e);
	}
}

赋值重载

我们就直接用现代写法实现,还能顺便把 swap 函数提供了:

void swap(list& lt) { ::swap(_head, lt._head); }

list& opeartor = (list lt)
{
	swap(lt);
	return *this;
}

我们可以来集中测试一下:

void test4() {
	xl::list lt;
	lt.push_back(1);
	lt.push_back(2);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);
	
	xl::list lt3;
	xl::list lt2(lt);
	lt3 = lt2;

	xl::list::iterator it = lt3.begin();
	while (it != lt3.end()) {
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
}

输出:

5. list 的常见重要接口实现

operator--() 

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

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

insert 接口

我们先实现 insert 和 erase 接口,之后直接复用就好了:

// pos 位置之前插入
iterator insert(iterator pos, const T& x) {
	Node* cur = pos._node;
	Node* prev = cur->_prev;
	Node* newnode = new Node(x);

	prev->_next = newnode;
	newnode->_next = cur;

	cur->_prev = newnode;
	newnode->_prev = cur;

	return newnode;
}

erase 接口

iterator erase(iterator pos) {
	assert(pos != end);

	Node* cur = pos._node;
	Node* prev = cur->_prev;
	Node* next = cur->_next;

	prev->_next = next;
	next->_prev = prev;

	delete cur;

	return next;
}

剩下的通通复用~        

push_back 接口

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

push_front 接口

void push_front(const T& x) {
	insert(begin(), x);
}

pop_back 接口

void pop_back() {
	erase(--end());
}

pop_front 接口

void pop_front() {
	erase(begin());
}

不知道你爽了没,反正我爽了,现在就再来一些常见接口:

size 接口

我们直接用迭代器来计数:

size_t size() {
	size_t sz = 0;
	iterator it = begin();
	while (it != end()) {
		sz++;
		it++;
	}
	return sz;
}

clear 接口

清理所有的数据,直接复用 erase:

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

对了,差点忘了析构函数还没定义:

别忘了析构函数

直接复用 clear:

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

源码分享

Gitee链接:模拟实现简易STL: 模拟实现简易STL (gitee.com)

写在最后:

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