C++(STL):15--- list源码剖析

网易架构师高司机

发布于 2021-02-03 14:43:39

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一、list概述

总的来说：环形双向链表
特点：
- 底层是使用链表实现的，支持双向顺序访问
- 在list中任何位置进行插入和删除的速度都很快
- 不支持随机访问，为了访问一个元素，必须遍历整个容器
- 与其他容器相比，额外内存开销大
设计目的：令容器在任何位置进行插入和删除都很快
何时使用：
- 容器需要不断地在中间插入或删除元素
- 无论删除还是增加，list的迭代器、引用、指针都不会失效
与其他容器的比较：

vector	可变大小数组。支持快速随机访问。在尾部之外的位置插入或删除元素可能很慢
deque	双端队列。支持快速随机访问。在头尾插入/删除速度很快
list	双向链表。只支持双向顺序访问。在list中任何位置进行插入和删除的速度都很快
forward_list	单向链表。只支持单向顺序访问。在链表任何位置进行插入和删除操作速度都很快
array	固定大小数组。支持快速随机访问。不能添加或删除元素
string	与vector相似的容器，但专门用于保存字符。随机访问快。在尾部插入或删除速度快

二、list的节点（__list_node）

list的每个节点是一个结构体。以下是list的节点（node）结构：

源码

template <class T>
struct __list_node {
typedef void* void_pointer;
void_pointer prev; //类型为void*。其实可设为__list_node<T>*
void_pointer next;
T data;
};

下图是结构所示的样子

三、list的迭代器

list不再能够 vector一样以原生指标做为迭代器，因为其节点不保证在储存空间中连续存在
list迭代器必须有能力指向list的节点，并有能力做正确的递增、递减、取值、成员存取等动作。所谓“list迭代器正确的递增、递减、取值、成员取用”动作是指：递增时指向下一个节点，递减时指向上一个节点，取值时取的是节点的数据值，成员取用时取用的是节点的成员，如下图所示：

由于list是一个双向链表（double linked-list），迭代器必须具备前移、后移的能力。所以list提供的是Bidirectional Iterators
list有以下几个重要性质：
- 插入动作（insert）和接合动作（splice）都不会造成原有的 list 迭代器失效。这在vector是不成立的，因为 vector的插入动作可能造成记忆体重新配置，导致原有的迭代器全部失效
- 甚至list的元素删除动作（erase），也只有“指向被删除元素”的那个迭代器失效，其他迭代器不受任何影响

迭代器源码

template<class T, class Ref, class Ptr>
struct list_iterator {
typedef list_iterator<T, T&, T*> iterator;
typedef list_iterator<T, Ref, Ptr> self;


typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;
typedef T value_type;
typedef Ptr pointer;
typedef Ref reference;
typedef list_node<T>* link_type;
typedef size_t size_type;
typedef ptrdiff_t difference_type;


link_type node; / 迭代器内部当然要有一个原生指标，指向list的节点


// constructor
list_iterator(link_type x) : node(x) {}
list_iterator() {}
list_iterator(const iterator& x) : node(x.node) {}


bool operator==(const self& x) const { return node == x.node; }
bool operator!=(const self& x) const { return node != x.node; }
// 以下对迭代器取值（dereference），取的是节点的数据值
reference operator*() const { return (*node).data; }


// 以下是迭代器的成员存取（member access）运算子的标准作法
pointer operator->() const { return &(operator*()); }


//对迭代器累加1，就是前进一个节点
self& operator++()
node = (link_type)((*node).next);
return *this;
}
self operator++(int)
self tmp = *this;
++*this;
return tmp;
}


//对迭代器递减1，就是后退一个节点
self& operator--()
node = (link_type)((*node).prev);
return *this;
}


self operator--(int)
self tmp = *this;
--*this;
return tmp;
}
};

四、list的数据结构

list不仅是一个双向串行，而且还是一个环状双向链表。所以它只需要一个指针，便可以完整表现整个链表

link_type、node节点

node节点是指向于list最后一个节点的指针

template <class T, class Alloc = alloc> //默认使用alloc为配置器
class list {
protected:
typedef __list_node<T> list_node;
public:
typedef list_node* link_type;
protected:
link_type node; // 只要一个指针，便可表示整个环状双向链表
...
};

begin()、end()等函数

如果让指标node指向刻意置于尾端的一个空白节点，node便能符合STL对于“前闭后开”区间的要求，成为last迭代器，如下图所示。这么一来，以几个函数便都可以轻易完成：

iterator begin() { return (link_type)((*node).next); }


iterator end() { return node; }


bool empty() const { return node->next == node; }


size_type size() const {
size_type result = 0;
distance(begin(), end(), result); // 全局函式，第 3章。
return result;
}


// 取头节点的内容（元素值）
reference front() { return *begin(); }


// 取尾节点的内容（元素值）
reference back() { return *(--end()); }

五、list的构造与内存管理（constructor、push_back、insert）

list的内存管理（list_node_allocator）

list缺省使用alloc做为空间配置器，并据此另外定义了一个list_node_allocator，为的是更方便地以节点大小为配置单位：

template <class T, class Alloc = alloc> //默认使用alloc为配置器
class list {
protected:
typedef __list_node<T> list_node;
// 专属之空间配置器，每次配置一个节点大小：
typedef simple_alloc<list_node, Alloc> list_node_allocator;
...
};
于是，list_node_allocator(n) 表示配置n个节点空间。以下四个函数，分别用来配置、释放、建构、摧毁一个节点：
protected:
// 配置一个节点并传回
link_type get_node() { return list_node_allocator::allocate(); }


// 释放一个节点
voidput_node(link_typep){list_node_allocator::deallocate(p);}


// 产生（配置并构造）一个节点，带有元素值
link_type create_node(const T& x) {
link_type p = get_node();
construct(&p->data, x);//全局函数，构造/析构基本工具
return p;
}


// 摧毁（解构并释放）一个节点
void destroy_node(link_type p) {
destroy(&p->data); //全局函数，构造/析构基本工具
put_node(p);
}

构造函数

list 提供有许多constructors，其中以个是default constructor，允许我们不指定任何参数做出一个空的list出来：

public:
list() { empty_initialize(); } //产生一个空链表
protected:
void empty_initialize()
node = get_node(); //配置一个节点空间，令node指向它
node->next = node; //令node头尾都指向自己，不设元素值
node->prev = node;
}

list为空时， node节点的prev、next指向于自己

push_back、insert

当我们以push_back()将新元素插入于list尾端，此函数内部调用insert()：

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

insert()是一个重载函数，有多种形式，其中最简单的以种如下，符合以上所需。首先配置并构造一个节点，然后在尾端进行适当的指针动作，将新节点插入进去：

//函数目的：在迭代器 position 所指位置插入一个节点，内容为x
iterator insert(iterator position, const T& x) {
link_type tmp = create_node(x);//产生一个节点（设妥内容为x）
//调整双向指针，使 tmp插入进去
tmp->next = position.node;
tmp->prev = position.node->prev;
(link_type(position.node->prev))->next = tmp;
position.node->prev = tmp;
return tmp;
}

于是，如果程序连续插入了五个节点（其值为0、1、2、3、4）之后，list的状态如下图所示

如果我们希望在list内的某处安插新节点，首先必须确定安插位置，例如我希望在数据值为3的节点处插入一个数据值为99的节点，可以这么做：

ilite = find(il.begin(), il.end(), 3);if (ilite!=0)il.insert(ilite, 99);

find()操作稍后再做说明。插入之后的list状态如下图所示。注意，插入完成后，新节点将位于标兵迭代器（标示出插入点）所指之节点的前方——这是STL对于 “插入动作”的标准规范。由于list不像vector 那样有可能在空间不足时做重新配置、数据移动的操作，所以插入前的所有迭代器在插入动作之后都仍然有效

六、list的元素操作

push_front、push_back

//插入一个节点，做为头节点
void push_front(const T& x) { insert(begin(), x); }


//插入一个个节点，做为尾节点
void push_back(const T& x) { insert(end(), x); }

erase

//移除迭代器position所指节点
iterator erase(iterator position) {
link_type next_node = link_type(position.node->next);
link_type prev_node = link_type(position.node->prev);
prev_node->next = next_node;
next_node->prev = prev_node;
destroy_node(position.node);
return iterator(next_node);
}

由于list是一个双向环状链表，只要我们把边际条件处理好，那么，在头部或尾部插入元素（push_front 和 push_back），动作几乎是一样的，在头部或尾部移除元素（pop_front和pop_back），动作也几乎是一样的。移除（erase）某个迭代器所指元素，只是做一些指针搬移动作而已，并不复杂。如果上图再经以下搜寻并移除的动作，状况将如下图所示

ite = find(ilist.begin(), ilist.end(), 1);
if (ite!=0)
cout << *(ilist.erase(ite)) << endl;

pop_front、pop_back

//移除头节点
void pop_front() { erase(begin()); }


//移除尾节点
void pop_back()
iterator tmp = end();
erase(--tmp);
}

clear

// 清除所有节点（整个链表）
template <class T, class Alloc>
void list<T, Alloc>::clear()
{
link_type cur = (link_type) node->next; //begin()
while (cur != node) { //遍历每一个节点
link_type tmp = cur;
cur = (link_type) cur->next;
destroy_node(tmp); // 销毁（析构并释放）一个节点
}


//恢复node原始状态
node->next = node;
node->prev = node;
}

remove

//将数值为value之所有元素移除
template <class T, class Alloc>
void list<T, Alloc>::remove(const T& value) {
iterator first = begin();
iterator last = end();
while (first != last) { //遍历每一个节点
iterator next = first;
++next;
if (*first == value)
erase(first); //找到就移除
first = next;
}
}

unique

//移除数值相同的连续元素。注意，只有“连续而相同的元素”，才会被移除剩一个
template <class T, class Alloc>
void list<T, Alloc>::unique()
{
iterator first = begin();
iterator last = end();
if (first == last)
return; //空链表，什么都不必做
iterator next = first;
while (++next != last) { //遍历每一个节点
if (*first == *next) //如果在此区段中有相同的元素
erase(next); //移除之
else
first = next; //调整指针
next = first; //修正区段范围
}
}

transfer

list内部提供一个所谓的迁移动作（transfer）：将某连续范围的元素迁移到某个特定位置之前。技术上很简单，节点间的指针移动而已
这个动作为其他的复杂动作如splice, sort, merge等奠定良好的基础
下面是transfer的源码，transfer不是公开接口：

protected:
//将[first,last)内的所有元素搬移到position之前
void transfer(iterator position, iterator first, iterator last) {
if (position != last) {
(*(link_type((*last.node).prev))).next = position.node;   // (1)
(*(link_type((*first.node).prev))).next = last.node;      // (2)
(*(link_type((*position.node).prev))).next = first.node;  // (3)
link_type tmp = link_type((*position.node).prev);         // (4)
(*position.node).prev = (*last.node).prev;                // (5)
(*last.node).prev = (*first.node).prev;                   // (6)
(*first.node).prev = tmp;                                 // (7)
}
}

以上七个动作，如下图所示：

splice

上述的transfer并非公开接口。list公开提供的是所谓的接合动作（splice）：将某连续范围的元素从一个list搬移到另一个（或同一个）list 的某个定点
下面是一个演示案例：

int iv[5] = { 5,6,7,8,9 };
list<int> ilist2(iv, iv+5);


//假设ilist的内容为0 2 99 3 4
ite = find(ilist.begin(), ilist.end(), 99);


ilist.splice(ite,ilist2); // 0 2 5 6 7 8 9 99 3 4
ilist.reverse();          // 4 3 99 9 8 7 6 5 2 0
ilist.sort();             // 0 2 3 4 5 6 7 8 9 99

很容易便可看出效果。下图显示接合动作。技术上很简单，只是节点间的指针移动而已，这些动作已完全由transfer()做掉了

为了提供各种接口弹性，list::splice有许多版本：

public:
//将x接合于position所指位置之前。x必须不同于*this
void splice(iterator position, list& x) {
if (!x.empty())
transfer(position, x.begin(), x.end());
}


//将i所指元素接合于position所指位置之前。position和i可指向同一个list
void splice(iterator position, list&, iterator i) {
iterator j = i;
++j;
if (position == i || position == j) return;
transfer(position, i, j);
}


//将[first,last) 内的所有元素接合于 position 所指位置之前
//position 和[first,last)可指向同一个list，
//但position不能位于[first,last)之内
void splice(iterator position, list&, iterator first, iterator last) {
if (first != last)
transfer(position, first, last);
}

以下是 merge(), reverse(), sort()的源码。有了transfer()在手，这些动作都不难完成

merge()

// merge()将x合并到*this身上。两个lists的内容都必须先递增排序
template <class T, class Alloc>
void list<T, Alloc>::merge(list<T, Alloc>& x) {
iterator first1 = begin();
iterator last1 = end();
iterator first2 = x.begin();
iterator last2 = x.end();


// 注意：前提是，两个lists都已经经过递增排序
while (first1 != last1 && first2 != last2)
if (*first2 < *first1) {
iterator next = first2; transfer(first1,
first2, ++next);
first2 = next;
}
else
++first1;
if (first2 != last2)
transfer(last1, first2, last2);
}

reverse()

//reverse()将*this的内容逆向重置
template <class T, class Alloc>
void list<T, Alloc>::reverse() {
//以下判断，如果是空链表，或仅有一个元素，就不做任何动作
//使用 size() == 0 || size() == 1 来判断，虽然也可以，但是比较慢
if (node->next == node || link_type(node->next)->next == node)
return;


iterator first = begin();
++first;


while (first != end()) {
iterator old = first;
++first;
transfer(begin(), old, first);
}
}

sort()

//list不能使用STL算法sort()，必须使用自己的sort() member function，
//因为STL算法 sort()只接受RamdonAccessIterator.
//本函数采用 quick sort


template <class T, class Alloc>
void list<T, Alloc>::sort() {
// 以下判断，如果是空链表，或仅有一个元素，就不做任何动作
// 使用 size() == 0 || size() == 1 来判断，虽然也可以，但是比较慢
if (node->next == node || link_type(node->next)->next == node)
return;


//一些新的lists，做为中介数据存放区
list<T, Alloc> carry;
list<T, Alloc> counter[64];
int fill = 0;


while (!empty()) {
carry.splice(carry.begin(), *this, begin());
int i = 0;
while(i < fill && !counter[i].empty()) {
counter[i].merge(carry);
carry.swap(counter[i++]);
}
carry.swap(counter[i]);
if (i == fill)
++fill;
}


for (int i = 1; i < fill; ++i)
counter[i].merge(counter[i-1]);
swap(counter[fill-1]);
}

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