list概述

1、list概述

list 是一种双向链表。list 的设计更加复杂一点，好处是每次插入或删除一个元素，就配置或释放一个元素，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删除，list 永远是常数空间。注意：list 源码里其实分了两个部分，一个部分是 list 结构，另一部分是 list 节点的结构。也就是说指针变量和数据变量分开定义，目的是是为了给迭代器做铺垫，因为迭代器遍历的时候不需要数据成员的，只需要前后指针就可以遍历该 list。list 的节点结构如下图所示：

2、list 数据结构-节点

__list_node 用来实现节点，数据结构中就储存前后指针和属性。

template <class T> struct __list_node {
    // 前后指针
   typedef void* void_pointer;
   void_pointer next;
   void_pointer prev;
    // 属性
   T data;
};

基本结构如下图所示：

基本类型

template<class T, class Ref, class Ptr> struct __list_iterator {
   typedef __list_iterator<T, T&, T*>     iterator; // 迭代器
   typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
   typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr>    self;  

    // 迭代器是bidirectional_iterator_tag类型
   typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;
   typedef T value_type;
   typedef Ptr pointer;
   typedef Ref reference;
   typedef size_t size_type;
   typedef ptrdiff_t difference_type;
    ...
};

构造函数

template<class T, class Ref, class Ptr> struct __list_iterator {
    ...
    // 定义节点指针
   typedef __list_node<T>* link_type;
   link_type node;
 // 构造函数
   __list_iterator(link_type x) : node(x) {}
   __list_iterator() {}
   __list_iterator(const iterator& x) : node(x.node) {}
   ...
};

重载

template<class T, class Ref, class Ptr> struct __list_iterator  {
    ...
 // 重载
   bool operator==(const self& x) const { return node == x.node; }
   bool operator!=(const self& x) const { return node != x.node; }
    ...

    // ++和--是直接操作的指针指向next还是prev, 因为list是一个双向链表
   self& operator++() {
     node = (link_type)((*node).next);
     return *this;
   }
   self operator++(int) {
     self tmp = *this;
     ++*this;
     return tmp;
   }
   self& operator--() {
     node = (link_type)((*node).prev);
     return *this;
   }
   self operator--(int)  {
     self tmp = *this;
     --*this;
     return tmp;
   }
};

3、list 结构

list 自己定义了嵌套类型满足 traits 编程， list 迭代器是 bidirectional_iterator_tag 类型，并不是一个普通指针。

list 在定义 node 节点时， 定义的不是一个指针:

template <class T, class Alloc = alloc>
class list {
protected:
    typedef void* void_pointer;
    typedef __list_node<T> list_node; // 节点 就是前面分析过的
    typedef simple_alloc<list_node, Alloc> list_node_allocator; // 空间配置器
public:
    // 定义嵌套类型
    typedef T value_type;
    typedef value_type* pointer;
    typedef const value_type* const_pointer;
    typedef value_type& reference;
    typedef const value_type& const_reference;
    typedef list_node* link_type;
    typedef size_t size_type;
    typedef ptrdiff_t difference_type;

protected:
    // 定义一个节点, 这里节点并不是一个指针.
    link_type node;

public:
    // 定义迭代器
    typedef __list_iterator<T, T&, T*>             iterator;
    typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
 ...
};

4、list 构造和析构函数实现

每个构造函数都会创造一个空的 node 节点，为了保证我们在执行任何操作都不会修改迭代器。list 默认使用 alloc 作为空间配置器，并根据这个另外定义了一个 list_node_allocator，目的是更加方便以节点大小来配置单元。

template <class T, class Alloc = alloc>
class list {
protected:
    typedef void* void_pointer;
    typedef __list_node<T> list_node; // 节点
    typedef simple_alloc<list_node, Alloc> list_node_allocator; // 空间配置器

其中，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，构造，销毁一个节点。

class list {
protected:
 // 配置一个节点并返回
  link_type get_node() { return list_node_allocator::allocate(); }
  // 释放一个节点
  void put_node(link_type p) { list_node_allocator::deallocate(p); }
 // 产生(配置并构造)一个节点带有元素初始值
  link_type create_node(const T& x) {
      link_type p = get_node();
      __STL_TRY {
        construct(&p->data, x);
      }
      __STL_UNWIND(put_node(p));
      return p;
  }
//销毁(析构并释放)一个节点
  void destroy_node(link_type p) {
    destroy(&p->data);
    put_node(p);
  }
  // 对节点初始化
  void empty_initialize() {
    node = get_node();
    node->next = node;
    node->prev = node;
  }
};

5、基本属性获取

template <class T, class Alloc = alloc>
class list {
    ...
public:
    iterator begin() { return (link_type)((*node).next); } // 返回指向头的指针
    const_iterator begin() const { return (link_type)((*node).next); }
    iterator end() { return node; } // 返回最后一个元素的后一个的地址
    const_iterator end() const { return node; }

    // 这里是为旋转做准备, rbegin返回最后一个地址, rend返回第一个地址. 我们放在配接器里面分析
    reverse_iterator rbegin() { return reverse_iterator(end()); }
    const_reverse_iterator rbegin() const {
      return const_reverse_iterator(end());
    }
    reverse_iterator rend() { return reverse_iterator(begin()); }
    const_reverse_iterator rend() const {
      return const_reverse_iterator(begin());
    } 

    // 判断是否为空链表, 这是判断只有一个空node来表示链表为空.
    bool empty() const { return node->next == node; }
    // 因为这个链表, 地址并不连续, 所以要自己迭代计算链表的长度.
    size_type size() const {
      size_type result = 0;
      distance(begin(), end(), result);
      return result;
    }
    size_type max_size() const { return size_type(-1); }
    // 返回第一个元素的值
    reference front() { return *begin(); }
    const_reference front() const { return *begin(); }
    // 返回最后一个元素的值
    reference back() { return *(--end()); }
    const_reference back() const { return *(--end()); }

    // 交换
    void swap(list<T, Alloc>& x) { __STD::swap(node, x.node); }
    ...
};
template <class T, class Alloc>
inline void swap(list<T, Alloc>& x, list<T, Alloc>& y) {
   x.swap(y);
}

6、list 的头插和尾插

因为 list 是一个循环的双链表， 所以 push 和 pop 就必须实现是在头插入，删除还是在尾插入和删除。在 list 中，push 操作都调用 insert 函数， pop 操作都调用 erase 函数。

template <class T, class Alloc = alloc>
class list {
    ...
    // 直接在头部或尾部插入
    void push_front(const T& x) { insert(begin(), x); }
    void push_back(const T& x) { insert(end(), x); }
    // 直接在头部或尾部删除
    void pop_front() { erase(begin()); }
    void pop_back() {
      iterator tmp = end();
      erase(--tmp);
    }
    ...
};

上面的两个插入函数内部调用的 insert 函数。

class list {
    ...
public:
  // 最基本的insert操作, 之插入一个元素
  iterator insert(iterator position, const T& x) {
      // 将元素插入指定位置的前一个地址
    link_type tmp = create_node(x);
    tmp->next = position.node;
    tmp->prev = position.node->prev;
    (link_type(position.node->prev))->next = tmp;
    position.node->prev = tmp;
    return tmp;
  }

注意：

• 节点实际是以 node 空节点开始的。
• 插入操作是将元素插入到指定位置的前一个地址进行插入的。

7、删除操作

删除元素的操作大都是由 erase 函数来实现的，其他的所有函数都是直接或间接调用 erase。

list 是链表，所以链表怎么实现删除元素， list 就在怎么操作：很简单，先保留前驱和后继节点， 再调整指针位置即可。

由于它是双向环状链表，只要把边界条件处理好，那么在头部或者尾部插入元素操作几乎是一样的，同样的道理，在头部或者尾部删除元素也是一样的。

template <class T, class Alloc = alloc>
class list {
    ...
 iterator erase(iterator first, iterator last);
    void clear();
    // 参数是一个迭代器 修改该元素的前后指针指向再单独释放节点就行了
 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);
    }
    ...
};
...
}

list 内部提供一种所谓的迁移操作(transfer)：将某连续范围的元素迁移到某个特定位置之前，技术上实现其实不难，就是节点之间的指针移动，只要明白了这个函数的原理，后面的 splice，sort，merge 函数也就一一知晓了，我们来看一下 transfer 的源码：

template <class T, class Alloc = alloc>
class list {
    ...
protected:
    void transfer(iterator position, iterator first, iterator last) {
      if (position != last) {
        (*(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;
      }
    }
    ...
};

上面代码的七行分别对应下图的七个步骤：

splice函数： 将两个链表进行合并：内部就是调用的 transfer 函数。

merge 函数： 将传入的 list 链表 x 与原链表按从小到大合并到原链表中(前提是两个链表都是已经从小到大排序了). 这里 merge 的核心就是 transfer 函数。

reverse 函数： 实现将链表翻转的功能：主要是 list 的迭代器基本不会改变的特点, 将每一个元素一个个插入到 begin 之前。

sort 函数： list 这个容器居然还自己实现一个排序，看一眼源码就发现其实内部调用的 merge 函数，用了一个数组链表用来存储 2^i 个元素, 当上一个元素存储满了之后继续往下一个链表存储, 最后将所有的链表进行 merge归并(合并), 从而实现了链表的排序。

赋值操作： 需要考虑两个链表的实际大小不一样时的操作：如果原链表大 : 复制完后要删除掉原链表多余的元素；如果原链表小 : 复制完后要还要将x链表的剩余元素以插入的方式插入到原链表中。

resize 操作： 重新修改 list 的大小，传入一个 new_size，如果链表旧长度大于 new_size 的大小, 那就删除后面多余的节点。

clear 操作： 清除所有节点：遍历每一个节点，销毁(析构并释放)一个节点。

remove 操作： 清除指定值的元素：遍历每一个节点，找到就移除。

unique 操作： 清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：遍历每一个节点，如果在此区间段有相同的元素就移除之。

8、list 总结

list 是一种双向链表。每个结点都包含一个数据域、一个前驱指针 prev 和一个后驱指针 next。

由于其链表特性，实现同样的操作，相对于 STL 中的通用算法， list 的成员函数通常有更高的效率，内部仅需做一些指针的操作，因此尽可能选择 list 成员函数。

优点

• 在内部方便进行插入删除操作。
• 可在两端进行push和pop操作。

缺点

• 不支持随机访问，即下标操作和.at()。
• 相对于 vector 占用内存多。