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【C++】list底层封装和实现

news 来源：原创 2025/9/20 0:11:03

目录

  • 节点类
    • 基本框架
    • 构造函数
  • list类
    • 构造函数
    • 拷贝构造函数
    • 赋值重载
    • 析构函数
  • 迭代器类
    • 前言(string和vector的区别)
    • 迭代器模版参数的说明
    • 构造函数
    • ++运算符重载
    • - -运算符的重载
    • ==运算符重载
    • !=运算符的重载
    • *运算符的重载
    • ->运算符的重载
  • 迭代器相关函数
  • 插入和删除函数
    • insert
    • erase函数
    • push_fron, pop_back, pop_front
  • 其他函数
    • size函数
    • clear函数
    • swap函数
  • list的sort vs 库的sort
    • vector和list的排序效率
  • 从迭代器类重新理解封装
  • end

节点类

基本框架

template<class T>
struct list_node
{T _data;list_node<T>* _next;list_node<T>* _prev;
};
  • 这个框架很简单，具体的我在数据结构模拟实现链表那个章节已经详细讲过，如果需要请去复习一下【手撕数据结构】拿捏双向链表

构造函数

template<class T>
struct list_node
{T _data;list_node<T>* _next;list_node<T>* _prev;list_node(const T& x = T())	//别忘了写缺省参数:_data(x),_next(nullptr),_prev(nullptr){}
};
  • 这里我们就用初始化列表对链表节点对象进行初始化，对节点存储的值用匿名对象进行缺省参数赋值。前后节点指针初始化为空指针
  • 这里的匿名对象对于自定义类型会去调用他们的默认构造来初始化，内置类型也有构造函数就是int，float,double是0

list类

构造函数

  • 我们要清楚，我们现在实现的链表是一个循环双向链表，那么就要求逻辑结构应该如图这样

在这里插入图片描述

  • 那么就需要对链表的头结点的前后节点指针都指向他自己

那么我们的构造函数不妨这样来实现

void empty_init()
{_head = new Node(); //调用构造函数，创造节点初始化,链表是一个个节点连接起来_head->_next = _head;_head->_prev = _head;	//带头双向循环
}
  • 我们实现一个成员函数来初始化哨兵位节点

这里补充一下_head, 是链表的哨兵位节点

private:Node* _head;
  • 构造函数直接调用这个初始化函数就行了
list()
{empty_init();
}
  • 这里有同学就会有疑问，这里为啥不喝前面的string，vectori两个容器的构造一样在构造函数的初始化列表进行初始化，像下图一样
    在这里插入图片描述

因为初始化列表他只能用来初始化成员变量，_head的确是成员变量不错，但是_head->_next并不是成员变量，而是成员变量的成员。

  • 所以我们就实现一个函数来完成这些操作

拷贝构造函数

		list(const list<T>& lt){empty_init();for (auto& e : lt){push_back(e);}}
  • 在string和vector两个容器里面我已经详细讲解了拷贝构造的要求，最重要的就是要完成深拷贝。这里我们就用了push_back这个接口来完成深拷贝。
	void push_back(const T& x){Node* new_node = new Node(x); //new 可以开空间，也能调用构造函数初始化Node* tail = _head->_prev;tail->_next = new_node;new_node->_prev = tail;new_node->_next = _head;_head->_prev = new_node;	//改成_head->_prve就没有问题了_size++;}
  • 可以看到我们的push_back函数用new开了新空间，并且把对应的指针指向了新空间，这就完成了深拷贝。
  • 或许有同学疑问，为啥这_head->_prev = new_node;不写成tail = new_node
  • 原因就是tail是一个指针变量，我们改变指针变量的值是不能改变指针变量指向的值的。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
  • 所以改变tail并不能改变_head->_prev,这里我面的本意是想把_head->_prev这个指针的指向改变

赋值重载

	list<T>& operator=(list<T> lt){swap(lt);return *this;}
  • 还记得我在前面两章说vector和string的赋值重载的时候吗，资本家思想。如果我想要得到lt的并且想扔掉原来的资源，只需要把swap一下，lt这个局部变量在调用完这个函数就会销毁。因为我现在已经把原来this的资源交换给了lt, 所以销毁lt就相当于销毁了原来this指向的资源。

析构函数

	~list(){clear();delete _head;_head = nullptr;}
  • 这里我们直接先提前看一下clear的内部实现，来了解析构函数
		void clear(){auto it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}
  • 可以看到就是从头结点删除到尾节点，这里的erae方法后面介绍
  • 所以析构的时候我们就只需要delete一下哨兵节点就行了

迭代器类

前言(string和vector的区别)

或许很多人有疑问，为啥list迭代器还要单独实现一个类来解决，而vector和string就可以直接写出来。我们先来回顾一下vector的迭代器
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
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  • 可以看到我们不管是删除还是插入操作，如果我们想要找到下一个数据的地址，只需要简单的++或者–就行了，这就是原生指针，我们开辟空间的时候是开辟一块连续的空间
    在这里插入图片描述
  • 但是对于链表，我们是一个节点一个节点的开空间，这样开出来的空间位置是随机的是不连续的，这时候我们再想要通过简单的++或者–就找到数据就不可能了。
    在这里插入图片描述
    既然原生指针并不能找到链表的下一个节点，那么我们就需要封装一个迭代器类来完成这一系列操作。
  • 我们实现这个类的时候要注意，迭代器本质就是把底层细节封装起来，让用户像用string和vector原生指针方便的访问链表的各个节点，用户并不需要关心底层到底是怎么实现的，即他是怎么找到下一个节点，只需要像用+±-这种操作完成这个访问数据即可。
  • 总结：迭代器类，实质上就是对list进行+±-和访问运算符*这些和原生指针一样的操作的运算符重载，能够让用户感觉就是在用原生指针一样。

迭代器模版参数的说明

这里我们所实现的迭代器类的模板参数列表当中为什么有三个模板参数？

template<class T, class Ref, class Ptr>
  • 为了和库里面保持一致，我们不光要实现普通list对象的迭代器，还要实现const的list对象的迭代器，其实const的list对象的迭代器和普通list迭代器就是返回的类型不一致，实现上是一致的，这时候我们就可以通过模板自动推导类型来解决。
    在这里插入图片描述

构造函数

list_iterator(Node* node):_node(node)
{}
  • 很简单，我们需要知道从node节点开始迭代访问，那么提供node这个节点

++运算符重载

Self& operator++()
{_node = _node->_next;return *this;
}
  • 从链表节点的类中我们知道节点的下一个节点的位置是用一个_next成员变量指针指向的，所以指向那个位置就行了。

这就是一个后置++的实现，接下来我们实现前置++

	Self operator++(int){Self tmp(*this);_node = _node->_next;return tmp;}
  • 这里我们就是返回自增之前的那个对象
  • 解释下Self的类型，其实就是迭代器对象的类型
typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> Self;

- -运算符的重载

		Self& operator--(){_node = _node->_prev;return *this;}
  • 和++相反，++是找到后面的那个节点，而–就是找到前面那个节点。
		Self operator--(int){Self tmp(*this);_node = _node->_prev;return tmp;}
  • 前置- - 同上面前置++

==运算符重载

bool operagor == (const Self & s)
{return _node == s._node;
}
  • 判断两个节点指针指向的地址是否相同即可

!=运算符的重载

  • !=运算符刚好和==运算符的作用相反，我们判断这两个迭代器当中的结点指针的指向是否不同即可
	bool operator!=(const Self& s){return _node != s._node;}

*运算符的重载

		Ref operator*(){return _node->_data;}
  • 返回节点指针的存储数据的成员变量_data就可以了
  • 这里的Ref是引用的类型，模板推导出来的引用类型

->运算符的重载

		Ptr operator->(){return &_node->_data;}
  • 很多同学都不知道重载这个运算符用来干啥，
  • 在这里插入图片描述

–在这里插入图片描述

  • 可以看到，当我们链表存储的类型是一个类类型的时候，我们的流插入运算符就不能输出类类型的数据了。这时候我们要么重载留插入运算符，要么就另寻其他办法。

这时候我们观察到，链表节点是一个类，想访问里面的成员变量，可以通过对成员变量的地址->来访问类里面的成员变量。这时候我们就需要这个成员变量的地址对他解引用来访问他。

  • 这时候有的同学就可能会有疑问，那->获取地址后不应该再次->才能得到数据吗，为什么只需要写一个->,这是因为要提升程序的可读性
    例如日期类的成员访问:
    在这里插入图片描述

迭代器相关函数

	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);}
  • 这里只需要把节点传给我们的迭代器类构造一个迭代器对象就可以获得头节点和尾部的迭代器。

插入和删除函数

insert

iterator insert(iterator pos, const T& val)
{Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* newnode = new Node(val);newnode->_next = cur;newnode->_prev = prev;prev->_next = newnode;cur->_prev = newnode;_size++;return iterator(newnode);}
  • 这里插入很easy，只需要把插入的新节点前后指针更新到对应的指针就行了。
    在这里插入图片描述
  • 注意这里插入不存在迭代器失效的问题，因为我们的扩容都是一个个独立的空间，不存在像vector那样扩容后会导致迭代器无法找到新开的空间，这里的迭代器是通过指针来找到空间的

erase函数

	iterator erase(iterator pos){assert(pos != end()); //注意这里是给end， pos是迭代器的类型对象Node* cur = pos._node;Node* prev = cur->_prev;Node* next = cur->_next;next->_prev = prev;prev->_next = next;delete cur;_size--;return iterator(next);}

在这里插入图片描述

  • 这里释放节点就要注意迭代器失效的问题了，我们删除后，指向这个节点的迭代器指向的就是一个无效的内存，这时候就需要更新这个迭代器让他指向有效的内存。
    在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

push_fron, pop_back, pop_front

void push_front(const T& x)
{insert(begin(), x);}
void pop_front()
{erase(begin());
}
void pop_back()
{erase(--end());
}
  • 复用insert和erase接口就行，push_front就是insert到头结点位置，pop_front就是删除头结点位置，pop_back则是删除end(end是最后一个节点的下一个节点)前一个位置

其他函数

size函数

size_t size() const
{return _size;
}
  • 我们通过，一个成员变量来实现，如果链表插入节点的时候就自增_size,删除节点的时候就自减_size,可以看看前面的插入和删除函数

clear函数

	void clear(){auto it = begin();while (it != end()){it = erase(it);}}
  • 析构函数哪里前面已经解释过

swap函数

		void swap(list<T>& tmp){std::swap(_head, tmp._head);}
  • 这里ist容器当中存储的实际上就只有链表的头指针，我们就交换两个变量的头结点就行了，就让他们交换了数据，
  • 这里我们还重载了一个全局的swap函数
template<class T>
void swap(list<T>& a, list<T>& b)
{a.swap(b);
}
  • 这一点我在string和vector中也说过
  • 为了防止使用算法库中的i那个很多拷贝构造的swap函数，我们重载一个全局函数通过模板有现成吃现成(两个链表类型的变量，相同的类型)，会优先匹配我们自己实现的swap函数，然后我们这个全局的函数又调用成员函数swap,这个效率比算法库的那个效率高很多，为啥效率高，请看前面两个容器的讲解很详细。

list的sort vs 库的sort

List为啥要自己实现一个sort函数来排序，不能直接用算法库中的sort吗？
1.不能，因为我们的迭代器按功能角度来分类有3种:
(1)单向迭代器（支持++) 例如:foward_list(单链表)
(2)双向迭代器(支持++.–)， list
(3)随机迭代器(支持++,–, +, -) string,vector
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

vector和list的排序效率

在这里插入图片描述

  • 我们第一组数据是vector用算法库sort和list用他的成员函数sort单独排序，第二组数据是list的数据拷贝到vector给算法库的sort排序和list用他的成员函数sort单独排序
  • 可以看到copy到vector给算法库的sort排序都比list的sort快

原因：
1链表这个不连续的结构并不适合大量数据的排序，他的索引访问不能像vector那样连续的索引访问那么高效，需要更多时间来找到索引位置
2.算法库中的sort是快速排序算法，list的sort用的是归并排序，快速排序还是比归并排序要厉害一点的。

  • ，想要更高的效率排序，最好拷贝到vector中排序，排完再拷贝回list

从迭代器类重新理解封装

  • 大家可以看到我们的迭代器类实际上是一个
	struct list_iterator
  • 在类外是可以访问的，虽然在类外是可以访问，但是我们通过对迭代器类重命名
	typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
  • 提供了类外统一用iterator来访问的方式，这样外面并不知道我实际是什么名字，并不能很好的猜出来，可以看到我们stl中容器的迭代器都是统一命名为iterator, 但是每个容器的迭代器的底层细节实现方式可能都有差异，但是用户都可以通过iterator来访问各个容器，只能通过我给的接口访问，这就是一个隐式的封装
  • 为啥要写成struct,就是为了方便类里面对他的高频访问的问题。如迭代器函数begin,插入insert
    在这里插入图片描述

end

感谢大家阅读，希望对大家有帮助，快去实现一下吧

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编程日记 2025/9/16 7:38:25

ARP攻击 DAI动态ARP检测学习笔记(超详细)

一、概述 ARP(Address Resolution Protocol,地址解析协议)是将IP地址解析为以太网MAC地址(或称为物理地址)的协议,指导三层报文的转发。ARP有简单、易用的优点,但是也因为其没有任何安全认证机制而容易被攻击者利用。属于是又爱又恨的一种协议了。目前ARP攻击和ARP病毒已经成为…...

编程日记 2025/9/18 22:31:40

Springboot--Kafka客户端参数关键参数的调整方法

调整 Kafka 客户端参数需结合生产者、消费者和 Broker 的配置&#xff0c;以实现性能优化、可靠性保障或资源限制。以下是关键参数的调整方法和注意事项&#xff1a; 一、生产者参数调整 ‌max.request.size‌ ‌作用‌&#xff1a;限制单个请求的最大字节数&#xff08;包括消…...

编程日记 2025/9/19 18:16:25

NO.79十六届蓝桥杯备战|数据结构-扩展域并查集-带权并查集|团伙|食物链|银河英雄传说(C++)

扩展域并查集 普通的并查集只能解决各元素之间仅存在⼀种相互关系&#xff0c;⽐如《亲戚》题⽬中&#xff1a; a 和b 是亲戚关系&#xff0c;b 和c 是亲戚关系&#xff0c;这时就可以查找出a 和c 也存在亲戚关系。 但如果存在各元素之间存在多种相互关系&#xff0c;普通并查…...

编程日记 2025/9/19 19:44:16

蓝桥杯2022年第十三届省赛真题-统计子矩阵

题目链接&#xff1a; 代码思路&#xff1a; ①枚举上、下边界。 ②求每一列前缀和。 ②固定上下边界后&#xff0c;在通过双指针确定子矩阵的左右边界。双指针维护一个窗口 [l, r]&#xff0c;确保窗口中所有列的和(下面前缀和-上面前缀和)不超过 K。通过滑动窗口方式&…...

编程日记 2025/9/19 6:45:31

openEuler24.03 LTS下安装Spark

目录 安装模式介绍 下载Spark 安装Local模式 前提条件 解压安装包 简单使用 安装Standalone模式 前提条件 集群规划 解压安装包 配置Spark 配置Spark-env.sh 配置workers 分发到其他机器 启动集群 简单使用 关闭集群 安装YARN模式 前提条件 解压安装包 配…...

编程日记 2025/9/18 18:37:34

openEuler24.03 LTS下安装Flink

目录 Flink的安装模式下载Flink安装Local模式前提条件解压安装包启动集群查看进程提交作业文件WordCount持续流WordCount 查看Web UI配置flink-conf.yaml简单使用 关闭集群 Standalone Session模式前提条件Flink集群规划解压安装包配置flink配置flink-conf.yaml配置workers配置…...

编程日记 2025/9/18 20:44:47

Redis 持久化

一、持久化 redis 虽然是个内存数据库&#xff0c;但是 redis 支持RDB 和 AOF 两种持久化机制&#xff0c; 将数据写往磁盘&#xff0c;可以有效的避免因进程退出造成的数据丢失问题&#xff0c;当下次重启时利用之前持久化的文件即可实现数据恢复。 二、Redis 支持RDB 和 AOF …...

编程日记 2025/9/18 10:54:19

塔能科技：智能路灯物联运维产业发展现状与趋势分析

随着智慧城市建设的推进&#xff0c;智能路灯物联运维产业正经历快速发展&#xff0c;市场规模持续扩大。文章探讨了智能路灯物联运维的技术体系、市场机遇和挑战&#xff0c;并预测了未来发展趋势&#xff0c;为行业发展提供参考。 关键词 智能路灯&#xff1b;物联运维&#…...

编程日记 2025/9/18 16:20:26

前端知识点---闭包(javascript)

文章目录 1.怎么理解闭包?2.闭包的特点3.闭包的作用?4 闭包注意事项&#xff1a;5 形象理解 1.怎么理解闭包? 函数里面包着另一个函数&#xff0c;并且内部函数可以访问外部函数的变量。 <script>function outer(){let count 0return functioninner (){countconsole.l…...

编程日记 2025/9/17 12:41:07

单次 CMS Old GC 耗时长问题分析与优化

目录 一、现象说明 二、CMS GC 机制简述 三、可能导致长时间停顿的原因详细分析 &#xff08;一&#xff09;Full GC&#xff08;完全垃圾回收&#xff09; 1. 主要原因 2.参数调整 &#xff08;二&#xff09;Promotion Failure&#xff08;晋升失败&#xff09; 1. 主…...

编程日记 2025/9/17 2:31:14

Python星球日记 - 第16天：爬虫基础（仅学习使用）

&#x1f31f;引言&#xff1a; 上一篇&#xff1a;Python星球日记 - 第15天&#xff1a;综合复习&#xff08;回顾前14天所学知识&#xff09; 名人说&#xff1a;不要人夸颜色好&#xff0c;只留清气满乾坤&#xff08;王冕《墨梅》&#xff09; 创作者&#xff1a;Code_流苏…...

编程日记 2025/9/18 15:39:40

【回眸】Linux 内核 (十四)进程间通讯 之 信号量

前言 信号量概念 信号量常用API 1.创建/获取一个信号量 2.改变信号量的值 3. 控制信号量 信号量函数调用 运行结果展示 前言 上一篇文章介绍的共享内存有局限性，如：同步与互斥问题、内存管理复杂性问题、数据结构限制问题、可移植性差问题、调试困难问题。本篇博文介…...

编程日记 2025/9/18 14:44:23

Python 字典和集合（字典的变种）

本章内容的大纲如下&#xff1a; 常见的字典方法 如何处理查找不到的键 标准库中 dict 类型的变种set 和 frozenset 类型 散列表的工作原理 散列表带来的潜在影响&#xff08;什么样的数据类型可作为键、不可预知的 顺序&#xff0c;等等&#xff09; 字典的变种 这一节总结了…...

编程日记 2025/9/19 0:01:28

LeetCode】寻找重复子树：深度解析与高效解法

&#x1f4d6; 问题描述 给定一棵二叉树的根节点 root &#xff0c;返回所有重复的子树。若两棵树结构相同且节点值相同&#xff0c;则认为它们是重复的。对于同类重复子树&#xff0c;只需返回其中任意一棵的根节点。 &#x1f330; 示例解析 示例1 输入&#xff1a; 1/ …...

编程日记 2025/9/19 22:02:57

[蓝桥杯] 挖矿（CC++双语版）

题目链接 P10904 [蓝桥杯 2024 省 C] 挖矿 - 洛谷 题目理解 我们可以将这道题中矿洞的位置理解成为一个坐标轴&#xff0c;以题目样例绘出坐标轴&#xff1a; 样例&#xff1a; 输入的5为矿洞数量&#xff0c;4为可走的步数。第二行输入是5个矿洞的坐标。输出结果为在要求步数…...

编程日记 2025/9/18 19:23:34

Appium如何实现移动端UI自动化测试？

&#x1f345; 点击文末小卡片&#xff0c;免费获取软件测试全套资料&#xff0c;资料在手&#xff0c;涨薪更快 Appium是一个开源跨平台移动应用自动化测试框架。 既然只是想学习下Appium如何入门&#xff0c;那么我们就直奔主题。文章结构如下&#xff1a; 为什么要使用A…...

编程日记 2025/9/19 22:16:40

在集合中哪些可以为null，哪些不能为null；Java 集合中 null 值允许情况总结与记忆技巧

Java 集合中 null 值允许情况总结与记忆技巧 一、核心集合对 null 的支持情况 集合类型Key 是否可为 nullValue 是否可为 null原因/备注HashMap✅ 是✅ 是对 null key 有特殊处理&#xff08;存放在数组第 0 个位置&#xff09;LinkedHashMap✅ 是✅ 是继承自 HashMapTreeMap…...

编程日记 2025/9/19 17:44:09