STL源码剖析---list
2024-05-18 01:55:57
相较于vector的连续线性空间，list就显得复杂许多，它的好处是每次插入或删除一个元素，就配置或释放一个元素空间。因此，list对于空间的运用有绝对的精准，一点也不浪费。而且，对于任何位置的元素插入或元素移除，list永远是常数时间。
list不仅是一个双向链表，而且还是一个环状双向链表。另外，还有一个重要性质，插入操作和接合操作都不会造成原有的list迭代器失效，这在vector是不成立的。因为vector的插入操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的元素删除操作（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。
以下是list的节点、迭代器数据结构设计以及list的源码剖析：
// list结点, 提供双向访问能力// -------- -------- -------- --------
// | next |---------->| next |---------->| next |---------->| next |
// -------- -------- -------- --------
// | prev |<----------| prev |<----------| prev |<----------| prev |
// -------- -------- -------- --------
// | data | | data | | data | | data |
// -------- -------- -------- --------template <class T>
struct __list_node
{typedef void* void_pointer;void_pointer next;void_pointer prev;T data;
};// 至于为什么不使用默认参数, 这个是因为有一些编译器不能提供推导能力,
// 而作者又不想维护两份代码, 故不使用默认参数
template<class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator; // STL标准强制要求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普通指针，指向list的节点__list_iterator(link_type x) : node(x) {}__list_iterator() {}__list_iterator(const iterator& x) : node(x.node) {}// 在STL算法中需要迭代器提供支持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运算子的标准做法pointer operator->() const { return &(operator*()); }// 前缀自加，对迭代器累加1，就是前进一个节点self& operator++(){node = (link_type)((*node).next);return *this;}// 后缀自加, 需要先产生自身的一个副本, 然会再对自身操作, 最后返回副本self operator++(int){self tmp = *this;++*this;return tmp;}// 前缀自减self& operator--(){node = (link_type)((*node).prev);return *this;}self operator--(int){self tmp = *this;--*this;return tmp;}
};// list不仅是个双向链表, 而且还是一个环状双向链表// end() 头结点 begin()
// ↓ ↓ ↓
// -------- -------- -------- --------
// ---->| next |---------->| next |---------->| next |---------->| next |------
// | -------- -------- -------- -------- |
// | --| prev |<----------| prev |<----------| prev |<----------| prev |<--| |
// | | -------- -------- -------- -------- | |
// | | | data | | data | | data | | data | | |
// | | -------- -------- -------- -------- | |
// | | | |
// | | -------- -------- -------- -------- | |
// ---|-| next |<----------| next |<----------| next |<----------| next |<--|--
// | -------- -------- -------- -------- |
// ->| prev |---------->| prev |---------->| prev |---------->| prev |----
// -------- -------- -------- --------
// | data | | data | | data | | data |
// -------- -------- -------- --------// 默认allocator为alloc, 其具体使用版本请参照<stl_alloc.h>
template <class T, class Alloc = alloc>
class list
{
protected:typedef void* void_pointer;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;public:typedef T value_type;typedef value_type* pointer;typedef value_type& reference;typedef list_node* link_type;typedef size_t size_type;typedef ptrdiff_t difference_type;typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;protected:link_type node ; // 只要一个指针，便可表示整个环状双向链表// 分配一个新结点, 注意这里并不进行构造,// 构造交给全局的construct, 见<stl_stl_uninitialized.h>link_type get_node() { return list_node_allocator::allocate(); }// 释放指定结点, 不进行析构, 析构交给全局的destroyvoid put_node(link_type p) { list_node_allocator::deallocate(p); }// 产生（配置并构造）一个节点, 首先分配内存, 然后进行构造// 注: commit or rollbacklink_type create_node(const T& x){link_type p = get_node();construct(&p->data, x);return p;}// 析构结点元素, 并释放内存void destroy_node(link_type p){destroy(&p->data);put_node(p);}protected:// 用于空链表的建立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;}// 创建值为value共n个结点的链表// 注: commit or rollbackvoid fill_initialize(size_type n, const T& value){empty_initialize();__STL_TRY{// 此处插入操作时间复杂度O(1)insert(begin(), n, value);}__STL_UNWIND(clear(); put_node(node));}public:list() { empty_initialize(); }iterator begin() { return (link_type)((*node).next); }// 链表成环, 当指所以头节点也就是enditerator end() { return node; }// 头结点指向自身说明链表中无元素bool empty() const { return node->next == node; }// 使用全局函数distance()进行计算, 时间复杂度O(n)size_type size() const{size_type result = 0;distance(begin(), end(), result);return result;}size_type max_size() const { return size_type(-1); }reference front() { return *begin(); }reference back() { return *(--end()); }// 在指定位置插入元素// insert(iterator position, const T& x)// ↓// create_node(x)// p = get_node();-------->list_node_allocator::allocate();// construct(&p->data, x);// ↓// tmp->next = position.node;// tmp->prev = position.node->prev;// (link_type(position.node->prev))->next = tmp;// position.node->prev = tmp;iterator insert(iterator position, const T& x){link_type tmp = create_node(x); // 产生一个节点// 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;}// 指定位置插入n个值为x的元素, 详细解析见实现部分void insert(iterator pos, size_type n, const T& x);void insert(iterator pos, int n, const T& x){insert(pos, (size_type)n, x);}void insert(iterator pos, long n, const T& x){insert(pos, (size_type)n, x);}// 在链表前端插入结点void push_front(const T& x) { insert(begin(), x); }// 在链表最后插入结点void push_back(const T& x) { insert(end(), x); }// 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);}// 擦除一个区间的结点, 详细解析见实现部分iterator erase(iterator first, iterator last);void resize(size_type new_size, const T& x);void resize(size_type new_size) { resize(new_size, T()); }void clear();// 删除链表第一个结点void pop_front() { erase(begin()); }// 删除链表最后一个结点void pop_back(){iterator tmp = end();erase(--tmp);}list(size_type n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }list(int n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }list(long n, const T& value) { fill_initialize(n, value); }~list(){// 释放所有结点 // 使用全局函数distance()进行计算, 时间复杂度O(n)size_type size() const{size_type result = 0;distance(begin(), end(), result);return result;}clear();// 释放头结点put_node(node);}list<T, Alloc>& operator=(const list<T, Alloc>& x);protected:// 将[first, last)内的所有元素移动到position之前// 如果last == position, 则相当于链表不变化, 不进行操作// 初始状态// first last// ↓ ↓// -------- -------- -------- -------- -------- --------// | next |-->| next |-->| next | | next |-->| next |-->| next |// ... -------- -------- -------- ... -------- -------- -------- ...// | prev |<--| prev |<--| prev | | prev |<--| prev |<--| prev |// -------- -------- -------- -------- -------- --------//// position// ↓// -------- -------- -------- -------- -------- --------// | next |-->| next |-->| next |-->| next |-->| next |-->| next |// ... -------- -------- -------- -------- -------- -------- ...// | prev |<--| prev |<--| prev |<--| prev |<--| prev |<--| prev |// -------- -------- -------- -------- -------- --------//// 操作完成后状态// first// |// --------------|--------------------------------------// | ------------|------------------------------------ | last// | | ↓ | | ↓// -------- | | -------- -------- -------- | | -------- --------// | next |-- | ----->| next |-->| next | | next |----- | -->| next |-->| next |// ... -------- | | -------- -------- ... -------- | | -------- -------- ...// | prev |<--- | ---| prev |<--| prev | | prev |<-- | -----| prev |<--| prev |// -------- | | -------- -------- -------- | | -------- --------// | | | |// | ------ | |// ------- | ------------------------------ |// | | | |// | | | -----------------------------// | | | |// | | | | position// | | | | ↓// -------- -------- | | | | -------- -------- -------- --------// | next |-->| next |-- | | -->| next |-->| next |-->| next |-->| next |// ... -------- -------- | | -------- -------- -------- -------- ...// | prev |<--| prev |<--- ------| prev |<--| prev |<--| prev |<--| prev |// -------- -------- -------- -------- -------- --------void transfer(iterator position, iterator first, iterator last){if (position != last) // 如果last == position, 则相当于链表不变化, 不进行操作{(*(link_type((*last.node).prev))).next = position.node;(*(link_type((*first.node).prev))).next = last.node;(*(link_type((*position.node).prev))).next = first.node;link_type tmp = link_type((*position.node).prev);(*position.node).prev = (*last.node).prev;(*last.node).prev = (*first.node).prev;(*first.node).prev = tmp;}}public:// 将链表x移动到position所指位置之前void splice(iterator position, list& x){if (!x.empty())transfer(position, x.begin(), x.end());}// 将链表中i指向的内容移动到position之前void splice(iterator position, list&, iterator i){iterator j = i;++j;if (position == i || position == j) return;transfer(position, i, j);}// 将[first, last}元素移动到position之前void splice(iterator position, list&, iterator first, iterator last){if (first != last)transfer(position, first, last);}void remove(const T& value);void unique();void merge(list& x);void reverse();void sort();};// 销毁所有结点, 将链表置空
template <class T, class Alloc>
void list<T, Alloc>::clear()
{link_type cur = (link_type) node->next;while (cur != node){link_type tmp = cur;cur = (link_type) cur->next;destroy_node(tmp);}// 恢复node原始状态node->next = node;node->prev = node;
}// 链表赋值操作
// 如果当前容器元素少于x容器, 则析构多余元素,
// 否则将调用insert插入x中剩余的元素
template <class T, class Alloc>
list<T, Alloc>& list<T, Alloc>::operator=(const list<T, Alloc>& x)
{if (this != &x){iterator first1 = begin();iterator last1 = end();const_iterator first2 = x.begin();const_iterator last2 = x.end();while (first1 != last1 && first2 != last2) *first1++ = *first2++;if (first2 == last2)erase(first1, last1);elseinsert(last1, first2, last2);}return *this;
}// 移除容器内所有的相邻的重复结点
// 时间复杂度O(n)
// 用户自定义数据类型需要提供operator ==()重载
template <class T, class Alloc>
void list<T, Alloc>::unique()
{iterator first = begin();iterator last = end();if (first == last) return;iterator next = first;while (++next != last){if (*first == *next)erase(next);elsefirst = next;next = first;}
}// 假设当前容器和x都已序, 保证两容器合并后仍然有序
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);
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