STL提供的list是一个双向链表容器，对应的迭代器类型为Bidirectional Iterators. 对于双向链表我们可以方便的在任意位置进行插入和删除操作，list每个节点的内存位置之间没有必然联系。
1. list 迭代器
链表由许多节点链接在一起构成，list中的节点的定义如下：
// ListNodeBase定义 struct _List_node_base { _List_node_base* _M_next; _List_node_base* _M_prev; }; // ListNode定义 template <class _Tp> struct _List_node : public _List_node_base { _Tp _M_data; // 数据域 }; |
list的迭代器定义如下（主要是迭代器的类型说明，以及遍历操作++/–的实现）：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 | // List Iterator Base 定义 struct _List_iterator_base { typedef size_t size_type; typedef ptrdiff_t difference_type; // 迭代器类型为 bidirectional_iterator_tag typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category; // 指向的ListNode _List_node_base* _M_node; // 构造函数 _List_iterator_base(_List_node_base* __x) : _M_node(__x) {} _List_iterator_base() {} // 前进与后退操作 void _M_incr() { _M_node = _M_node->_M_next; } void _M_decr() { _M_node = _M_node->_M_prev; } // ==以及!=操作符 bool operator==(const _List_iterator_base& __x) const { return _M_node == __x._M_node; } bool operator!=(const _List_iterator_base& __x) const { return _M_node != __x._M_node; } }; // List Iterator 定义 template<class _Tp, class _Ref, class _Ptr> struct _List_iterator : public _List_iterator_base { typedef _List_iterator<_Tp,_Tp&,_Tp*> iterator; typedef _List_iterator<_Tp,const _Tp&,const _Tp*> const_iterator; typedef _List_iterator<_Tp,_Ref,_Ptr> _Self; typedef _Tp value_type; typedef _Ptr pointer; typedef _Ref reference; typedef _List_node<_Tp> _Node; _List_iterator(_Node* __x) : _List_iterator_base(__x) {} _List_iterator() {} _List_iterator(const iterator& __x) : _List_iterator_base(__x._M_node) {} // 解引用操作 reference operator*() const { return ((_Node*) _M_node)->_M_data; } // -> 操作, 基于解引用操作实现 pointer operator->() const { return &(operator*()); } // 前置自增操作符 _Self& operator++() { this->_M_incr(); return *this; } // 后置自增操作符 _Self operator++(int) { _Self __tmp = *this; this->_M_incr(); return __tmp; } // 前置自减从操作符 _Self& operator--() { this->_M_decr(); return *this; } // 后置自减操作符 _Self operator--(int) { _Self __tmp = *this; this->_M_decr(); return __tmp; } }; |
2. list 基本数据结构
list的基本数据结构定义于_List_base之中，里面包含了节点空间的分配和回收操作（get_node/put_node），以及构造函数与析构函数，在析构函数中进行了clear操作。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 | // List Base 定义 // _Alloc 使用标准空间配置器 template <class _Tp, class _Alloc> class _List_base { public: typedef _Alloc allocator_type; allocator_type get_allocator() const { return allocator_type(); } // 构造函数 _List_base(const allocator_type&) { _M_node = _M_get_node(); // 分配一个节点的空间 _M_node->_M_next = _M_node; // next 指针指向自己 _M_node->_M_prev = _M_node; // prev 指针指向自己 } // 析构函数 ~_List_base() { clear(); // 清空所有节点 _M_put_node(_M_node); // 回收节点的空间 } void clear(); protected: typedef simple_alloc<_List_node<_Tp>, _Alloc> _Alloc_type; // 分配一个节点的空间 _List_node<_Tp>* _M_get_node() { return _Alloc_type::allocate(1); } // 回收一个节点的空间 void _M_put_node(_List_node<_Tp>* __p) { _Alloc_type::deallocate(__p, 1); } protected: // 定义一个指针, 指向end() _List_node<_Tp>* _M_node; }; // clear 函数 template <class _Tp, class _Alloc> void _List_base<_Tp,_Alloc>::clear() { // 取得指向第一个节点的指针 _List_node<_Tp>* __cur = (_List_node<_Tp>*) _M_node->_M_next; while (__cur != _M_node) { // 取出当前节点 _List_node<_Tp>* __tmp = __cur; __cur = (_List_node<_Tp>*) __cur->_M_next; // 析构节点所携带的对象 _Destroy(&__tmp->_M_data); // 回收节点的空间 _M_put_node(__tmp); } // 修正节点指针 _M_node->_M_next = _M_node; _M_node->_M_prev = _M_node; } |
list中定义了一个指针_M_node，它指向一个特殊的list节点（即链表末尾的空白节点），list可以通过_M_node来遍历其他所有节点。在构造函数中可以看到_M_node的next指针和prev指针都是指向自己的，事实上，_M_node即为end()，其next指针指向真正的起始数据节点，基于_M_node可以方便的实现很多函数（定义于list内部）：
iterator begin() { return (_Node*)(_M_node->_M_next); } iterator end() { return _M_node; } bool empty() const { return _M_node->_M_next == _M_node; } size_type size() const{ size_type __result = 0; distance(begin(), end(), __result); return __result; } reference front() { return *begin(); } reference back() { return *(--end()); } |
list是一个环状的双向链表，如图：（图片来源于《STL源码剖析》，已修改）
3. list 基本操作的实现
这里是list内部一些基本操作的实现，其中transfer是一个比较重要的操作，因为很多其他操作都基于transfer来实现，而且基于这个操作也很好理解函数的意义。transfer是一个protected member function，其对外的包装接口为splice函数。
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// 插入节点到position位置 __tmp->_M_next = __position._M_node; __tmp->_M_prev = __position._M_node->_M_prev; __position._M_node->_M_prev->_M_next = __tmp; __position._M_node->_M_prev = __tmp; // 返回指向新插入的节点 return __tmp; } // 在指定位置插入一个节点，节点由默认构造函数负责初始化 iterator insert(iterator __position) { return insert(__position, _Tp()); } // 在链表头插入元素 void push_front(const _Tp& __x) { insert(begin(), __x); } void push_front() {insert(begin());} // 在链表尾部插入元素 void push_back(const _Tp& __x) { insert(end(), __x); } void push_back() {insert(end());} // ========================================================================== // 元素删除操作 // ========================================================================== // 删除指定位置的元素 iterator erase(iterator __position) { _List_node_base* __next_node = __position._M_node->_M_next; _List_node_base* __prev_node = __position._M_node->_M_prev; _Node* __n = (_Node*) __position._M_node; __prev_node->_M_next = __next_node; __next_node->_M_prev = __prev_node; _Destroy(&__n->_M_data); _M_put_node(__n); // 返回指向被删除节点的下一个节点 return iterator((_Node*) __next_node); } // 清空操作，调用父类的clear实现 void clear() { _Base::clear(); } // resize 操作 void resize(size_type __new_size, const _Tp& __x) { iterator __i = begin(); size_type __len = 0; for ( ; __i != end() && __len < __new_size; ++__i, ++__len) ; // 如果 len == new_size 说明链表后面还有元素，那么这些元素需要删掉 if (__len == __new_size) erase(__i, end()); // 否则，说明链表的节点数没有 new_size 这么多，需要在末尾新插入元素 else // __i == end() insert(end(), __new_size - __len, __x); } void resize(size_type __new_size) { this->resize(__new_size, _Tp()); } // pop 操作 void pop_front() { erase(begin()); } void pop_back() { iterator __tmp = end(); erase(--__tmp); } protected: // ========================================================================== // 元素转移操作 // ========================================================================== // 把[first, last)内的所有元素移动到position之前 // 区间不可重叠，即position不能位于[first, last)区间内部 void transfer(iterator __position, iterator __first, iterator __last) { if (__position != __last) { // Remove [first, last) from its old position. __last._M_node->_M_prev->_M_next = __position._M_node; __first._M_node->_M_prev->_M_next = __last._M_node; __position._M_node->_M_prev->_M_next = __first._M_node; // Splice [first, last) into its new position. _List_node_base* __tmp = __position._M_node->_M_prev; __position._M_node->_M_prev = __last._M_node->_M_prev; __last._M_node->_M_prev = __first._M_node->_M_prev; __first._M_node->_M_prev = __tmp; } } public: // 把链表x的节点转移到position位置 void splice(iterator __position, list& __x) { if (!__x.empty()) this->transfer(__position, __x.begin(), __x.end()); } // 将i所指元素移动到position void splice(iterator __position, list&, iterator __i) { iterator __j = __i; ++__j; // 如果i和position指向同一个元素，则不需要进行任何操作 // 如果i所指节点就是位于position所指节点的前面一个节点，也不需要进行任何操作 if (__position == __i || __position == __j) return; // 将区间[i, j)移动到position this->transfer(__position, __i, __j); } // 对transfer的简单包装，区间不可重叠 void splice(iterator __position, list&, iterator __first, iterator __last) { if (__first != __last) this->transfer(__position, __first, __last); } // 删除具有指定值的元素 void remove(const _Tp& __value) { iterator __first = begin(); iterator __last = end(); while (__first != __last) { iterator __next = __first; ++__next; if (*__first == __value) erase(__first); __first = __next; } } // 如果连续的几个元素具有相同的值，则删除相同的，只留一个 void unique() { iterator __first = begin(); iterator __last = end(); if (__first == __last) return; iterator __next = __first; while (++__next != __last) { if (*__first == *__next) erase(__next); else __first = __next; __next = __first; } } // 合并两个已经排好序的链表, 默认从小到大排序 // 基于transfer实现，把x中的节点转移到本链表适当的位置 void merge(list& __x) { iterator __first1 = begin(); iterator __last1 = end(); iterator __first2 = __x.begin(); iterator __last2 = __x.end(); while (__first1 != __last1 && __first2 != __last2) if (*__first2 < *__first1) { iterator __next = __first2; // 基于transfer实现 transfer(__first1, __first2, ++__next); __first2 = __next; } else ++__first1; if (__first2 != __last2) transfer(__last1, __first2, __last2); } }; |
4. reverse与sort
《STL源码剖析》一书中reverse是通过调用transfer来实现的，就是顺序遍历链表，然后不断的把元素插入的begin()之前，这个过程还是非常好理解的，源代码如下：
但我实际找到的SGI STL的代码并不是基于transfer实现的，而是通过遍历链表的时候，不断的交换节点的next和prev指针来实现的，代码如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 | class list { public: // 翻转链表 void reverse() { __List_base_reverse(this->_M_node); } // ... } // 翻转链表的实现 inline void __List_base_reverse(_List_node_base* __p) { _List_node_base* __tmp = __p; do { __STD::swap(__tmp->_M_next, __tmp->_M_prev); __tmp = __tmp->_M_prev; // Old next node is now prev. } while (__tmp != __p); } |
这个实现过程画个图的话也是很好理解的：
list由于自身的特性（bidirectional iterator），显然不能够试用std::sort，STL提供了list的一个member function，用于排序，sort的源代码如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 | class list { public: // 排序操作 void sort() { // 只有链表的长度大于等于2才进行排序操作 if (_M_node->_M_next != _M_node && _M_node->_M_next->_M_next != _M_node) { list<_Tp, _Alloc> __carry; list<_Tp, _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]); } } } |
这段代码并不容易理解，需要在脑袋里面模拟执行几遍才好。为了更好的理解这个过程，可以用Visual Studio进行跟踪一下，虽然代码风格/实现不太一致，不过过程还是一样的。我所理解的是，counter数组的每个元素可存储的元素个数为2^i个，如：
counter[0] 最多存储 1 个元素 counter[1] 最多存储 2 个元素 counter[2] 最多存储 4 个元素 counter[3] 最多存储 8 个元素 ... |
在VS中跟踪时的监控值如下：
对sort过程的伪代码理解如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 | list::sort(): if 长度 < 2: return fill = 0 carry : list counter[64] : list while list非空: 取出list的begin()节点并merge到carry # carry不断收集元素，直到收集完毕或者下一层为空 for i in [0, fill) and counter[i]不为空: 把carry合并到counter[i] 交换carry与counter[i] # 此时carry已经合并了counter[0] 到 counter[i-1]的所有元素 # 实际就是把carry的数据转交给下一层 交换carry与counter[i] # 如果i == fill # 说明carry已经合并了counter[0] 到 counter[fill-1]的所有元素 # 需要新增一层 if i == fill: fill += 1 # 所有元素处理完毕 合并counter[0] 到 counter[fill-1]的所有元素 将排序后的数据交换到list自身 |
这个过程关键还在于自己的理解。
STL源码剖析笔记系列
1. STL笔记之空间配置器
2. STL笔记之迭代器
3. STL笔记之vector
4. STL笔记之list
本文地址: 程序人生 >> STL笔记之list
作者：代码疯子（Wins0n） 本站内容如无声明均属原创，转载请保留作者信息与原文链接，谢谢！