C++初阶：STL容器list的使用与初版自实现

目录

  • 1. list的接口与使用
    • 1.1 默认成员函数
    • 1.2 迭代器与容量相关成员函数
    • 1.3 存储数据操作相关成员函数
    • 1.4 其他list操作成员函数
  • 2. list的自实现
    • 2.1 list的自实现功能
    • 2.2 list的结点结构
    • 2.3 list的迭代器
    • 2.3 list的结构
    • 2.4 list迭代器的运算符重载
    • 2.5 list的成员函数
  • 3. const迭代器，operator->运算符重载与模板参数的应用
    • 3.1 const迭代器
    • 3.2 迭代器的operator->运算符重载

1. list的接口与使用

  1. list对标的是数据结构中的双向带头循环链表

1.1 默认成员函数

构造与拷贝构造

//无参构造
list<int> l1;
//指定个数值构造
list<int> l2(3, 100);
//迭代器区间构造
list<int> l3(l2.begin(), l2.end());
//拷贝构造
list<int> l4(l3);

赋值重载操作符

//给正在定义的对象使用赋值，会自动调用拷贝构造
list<int> l1(3,100);list<int> l2 = l1;list3<int> l3;ls = l1;

1.2 迭代器与容量相关成员函数

迭代器相关

//正向反向迭代器
list<int> l1;
l1.begin();
l1.rbegin();//const迭代器
l1.cbegin();
l1.crbegin();

容量大小相关

//list的现容量
list<int> l1;
l1.capacity();
//list的现存储数据长度
l1.size();
//理论上的最大长度
l1.max_size();

1.3 存储数据操作相关成员函数

数据操作相关

//返回list的头尾元素
list<int> l1;
l1.front();
l1.back();list<int> l2(3,10);
//给已存在list使用指定值赋值
//使用指定值
l1.assgin(4, 99);
//使用迭代器区间
l1.assgin(l2.begin(), l2.end());//头插，头删
l1.push_front(100);
l1.pop_front();//尾插，尾删
l1.push_back(100);
l1.pop_back();//指定位置插入
//在指定迭代器位置之前插入一个值
l1.insert(l1.begin(), 100);
//在指定迭代器位置之前插入n个数
l1.insert(l1.begin(), 3, 100);
//在指定迭代器位置之前插入一段迭代器区间
l1.insert(l1.beign(), l2.begin(), l2.end());//指定位置删除
//删除指定迭代器位置的值
l1.erase(v.begin());
//删除指定的一段迭代器区间
l1.erase(v.begin(), v.begin() + 2);//将两个list的结点交换
l1.swap(l2);//调整链表的容量大小
//n大时扩容，n小时不缩容
//将list扩容至长度为10，并将新增加的结点值赋予为10
l1.resize(10,80);//清空list的所有结点
l1.clear();

1.4 其他list操作成员函数

接合/转移：splice

//list之间的接合
list<int> l1(5, 10);
list<int> l2(5, 9);//将list2拼接到list1的指定迭代器位置
l1.splice(l1.begin() + 1, l2);//将l1上的一个指定迭代器位置结点拼接到l2上的指定迭代器位置
l2.splice(l2.begin(), l1, l1.end() - 1);//将l1上的一段迭代器区间拼接l2的指定位置上
l2.splice(l2.begin(), l1.begin(), l1.begin() + 2);

寻找指定值并移除：remove，去重：unique

list<int> l1;
l1.push_back(1);
l1.push_back(2);
l1.push_back(3);
//找到list中值等于3的结点并移除
l1.remove(3);//对list进行去重操作，只保留不同值
l1.unique();

排序与逆置

list<int> l1;
l1.push_back(3);
l1.push_back(2);
l1.push_back(1);//对list进行排序
//归并排序
l1.merge();
l1.sort();//将整个链表逆置
l1.reverse();

2. list的自实现

2.1 list的自实现功能

  1. 结点与迭代器类型的定义，创建
  2. 迭代器的一系列运算符的重载
  3. list的默认成员函数：构造，析构，赋值重载，拷贝构造，析构
  4. list的插入删除相关成员函数：push_back，pop_back，push_front，pop_front，insert，erase

复用关系
在这里插入图片描述

2.2 list的结点结构

//结点，struct默认成员函数为公有
template<class T>
struct ListNode
{//类型名typedef ListNode<T> Node;Node* _prev;Node* _next;T val;//构造函数：ListNode(T x = T()):val(x),_prev(nullptr),_next(nullptr){}
};

2.3 list的迭代器

//迭代器
template<class T>
struct __list_iterator
{//内置类型无法进行运算符重载typedef __list_iterator<T> self;typedef ListNode<T> Node;__list_iterator(Node* node):_node(node){}//将指针进行封装Node* _node;
}

2.3 list的结构

template<class T>
class list
{
public://typedef的作用域只在类域中typedef __list_iterator<T> iterator;typedef ListNode<T> Node;private:Node* Head;
};

2.4 list迭代器的运算符重载

1. ++，–

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

2. 解引用，!=，==

//后续可能存在值的修改
T& operator*()
{return _node->val;
}//直接使用beign()的返回值作为参数
//形成中间临时变量，临时变量具有常性
//直接传引用会导致权限的放大
//self生成拷贝，self&权限放大
bool operator!=(const self& it)
{return _node != it._node;
}bool operator==(const self& it)
{return _node == it._node;
}

2.5 list的成员函数

1. 构造

void init_empty()
{Head = new Node;Head->_next = Head;Head->_prev = Head;
}list()
{init_empty();
}

2. 迭代器

//单参数的构造函数，支持隐式类型转换
iterator begin()
{return Head->_next;
}iterator end()
{return Head;
}

3. 随机插入删除

void insert(iterator pos, T val)
{//在pos之前插入Node* cur = pos._node;Node* pre = cur->_prev;Node* newnode = new Node(val);newnode->_prev = pre;newnode->_next = cur;cur->_prev = newnode;pre->_next = newnode;
}//指定删除会导致，迭代器失效，野指针
iterator erase(iterator pos)
{//会进行优化，直接使用end()返回的指针进行优化assert(pos != end());//删除当前位置Node* cur = pos._node;Node* pre = cur->_prev;Node* next = cur->_next;pre->_next = next;next->_prev = pre;delete cur;return next;
}

4. 头插，头删，尾插，尾删

void push_back(T val)
{insert(end(), val);
}void push_front(T val)
{insert(begin(), val);
}void pop_back()
{erase(--end());
}void pop_front()
{erase(begin());
}

5. clear与swap

void swap(list<T> s)
{std::swap(Head, s.Head);
}void clear()
{while (begin() != end()){pop_back();}
}

6. 拷贝构造，赋值，析构

//没有写const迭代器
list(list<T>& s)
{//链接环状链表init_empty();//没有const迭代器for (auto e : s){push_back(e);}
}list<T>& operator=(list<T> s)
{swap(s);return *this;
}~list()
{clear();delete Head;Head = nullptr;
}

3. const迭代器，operator->运算符重载与模板参数的应用

3.1 const迭代器

  1. 我们对list容器的数据结构对象进行修开操作时，除开list提供的接口外，想要进行对指定位置的结点进行修改，需要先从链表中拿到这一结点位置信息，而我们只能通过迭代器访问遍历的方式做到这一操作。
  2. 想要修改或者访问list的某一结点都是通过迭代器的方式进行的，而list的插入删除操作等接口也是通过迭代器从而实现的。
  3. 当list被const进行修饰，其不想内部的数据被修改，即对我们仅开放只读权限时，我想要对list进行遍历，普通的迭代器因为类型不匹配的原因我们无法进行调用。
  4. 因此，我们需要专门创建支持this指针指向内容被const修饰的迭代器，即只有访问权限无法对其指向进行更改操作的迭代器。
  5. const迭代器的其他操作行为都与普通相同，只是operator*操作符重载返回的值是const修饰的无法更改，所以我们独立去编写一份相似度极高的代码是非常低效的。
  6. 解决方式采用引入新的模板参数来做operator*返回值类型的区分。
template<class T, class Ref>
struct __list_iterator
{typedef __list_iterator<T, Ref> self;typedef ListNode<T> Node;Node* _node;__list_iterator(Node* node):_node(node){}//const T&/T&//根据不同的模板参数，返回类型也不同Ref operator*(){return _node->val;}//其他操作与普通迭代器相同//......
};//增加const迭代器后的list容器
template<class T>
class list
{
public://同一模板，传递模板参数不同，得到的迭代器不同typedef __list_iterator<T, T&> iterator;typedef __list_iterator<T, const T&> const_iterator;//const迭代器//const修饰的变量，表示其值不想不被改变const_iterator begin() const{return Head->_next;}const_iterator end() const{return Head;}void init_empty(){Head = new Node;Head->_next = Head;Head->_prev = Head;}list(){init_empty();}private:Node* Head;
};
  1. 创建const迭代器后，拷贝构造可以直接使用const修饰的参数，提高效率。

3.2 迭代器的operator->运算符重载

  1. operator->运算重载的意义：当list存储的结点数据为自定义类型，且自定义类型其自身并没有重载流插入运算符，我们又要对其结点内部的值进行访问与打印时，迭代器重载的operator->就可以让我们来进行自定义结点内部数据的访问。
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;typedef ListNode<T> Node;Node* _node;__list_iterator(Node* node):_node(node){}//返回结点的数据的地址，间接达到对自定类型结点内部数据的访问//const迭代器中对值的访问都要用const修饰，添加新的模板参数Ptr operator->(){return &_node->val;}//其他操作与普通迭代器相同//......
};//list结构
template<class T>
class list
{
public://同一模板，传递模板参数不同，得到的迭代器不同typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;private:Node* Head;
};struct A
{int _aa;int _bb;A(int aa = 1, int bb = 1):_aa(aa),_bb(bb){}
};zyc::list<A> l1;l1.push_back(A());
l1.push_back(A(2,3));
l1.push_back(A(2,2));auto it = l1.begin();
//operator->的调用被编译器优化为一个箭头
//原本调用逻辑：it->->_aa，it.operator->()._aa
//优化调用
cout << it->_aa << endl;

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