【STL源码剖析】从源码看 list：从迭代器到算法

Ne0inhk

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【STL源码剖析】从源码看 list：从迭代器到算法

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本文并不适合STL初学者。对于那些熟练掌握 C++ 模板和 STL 的日常使用，理解内存分配与对象生命周期，并且有扎实的数据结构基础，希望深刻了解STL实现细节，从而得以提升对STL的扩充能力，或是希望藉由观察STL源代码，学习世界一流程序员身手，并藉此彻底了解各种被广泛运用之数据结构和算法的人，本文可能更适合你。

本文的源码主要来自 SGI STL（Silicon Graphics, Inc. 实现的 STL 版本）；
关于源码可以到在线网站查看：源码网站，也可以下载源码压缩包：压缩包

前言

学过数据结构得大概都知道，vector得头插和头删的效率很低O(N)，但是list的头插和头删操作都能做到O(1)，并且list的任意位置插入和删除也可以做到O(1)，并且list的每个节点都是独立的，并不是连续线性地址空间，所以list并不会出现迭代器失效的情况（除非你使用已经删除的节点），并且list还不会像vector一样二倍扩容，list就是使用一个开辟一个。

本文将从6个板块对list的源码进行剖析：

  1. list 概述；
  2. list 节点；
  3. list 的迭代器；
  4. list 的数据结构；
  5. list 的构造和内存管理；
  6. list 的接口。
本文的源码主要来自 SGI STL（Silicon Graphics, Inc. 实现的 STL 版本）；
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一. list 概述

在前言部分关于list的大致优势都已经谈到了，此处简单说一些劣势：

  • list不能进行索引操作，没有vector的[]重载，所以对元素的操作没有vector方便；
  • list数据存储并不是集中存储的，所以其内存局部存储性差，缓存利用率低；
  • 内存开销更大，除了存储数据，每一个节点还要存储两个指针；

二. list 的节点

学过基础数据结构的应该都知道，list的节点和list本身是两个不同的结构，需要分开设计，下面看看list节点的设计：

template<classT>struct__list_node{typedefvoid* void_pointer;// 库中使用的是void*来存储地址,使用__listnode<T>*也是可以的 void_pointer next;// 存储下一个节点的地址 void_pointer prev;// 存储上一个节点的地址 T data;// 存储有效数据};

从上面的节点的结构就可以看出，list是一个双向循环链表。

三. list 迭代器

3.1 定义

list的每个节点并不是连续存放的，迭代器的加减操作是将为了从一个节点跳到另一个节点位置，因此不能像vector一样用普通指针作为迭代器。

list的节点存储的是上一个节点和下一个节点的地址，所以list的迭代器应该是Bidirectional Iterators双向迭代器。

下面看看list迭代器都定义了什么成员：

template<classT,classRef,classPtr>// Ref和Ptr决定的该迭代器是否是常量迭代器struct__list_iterator{typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;// 普通迭代器typedef __list_iterator<T,const T&,const T*> const_iterator;// 常量迭代器typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;// 自己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;// 存储该迭代器指向的节点}};

list的迭代器成员就只有一个：当前节点的地址。list迭代器主要是把迭代器的++，–等操作进行重载。

3.2 构造

构造就比较简单：无参构造，用节点地址构造，迭代器的拷贝构造。

__list_iterator(link_type x):node(x){}__list_iterator(){}__list_iterator(const iterator& x):node(x.node){}

3.3 重载

对于== , !=可以直接比较迭代器中的node成员的地址，++,--则都是指向下一个或上一个节点的地址。

template<classT,classRef,classPtr>struct__list_iterator{typedef __list_node<T>* link_type; link_type node;booloperator==(const self& x)const{return node == x.node;}booloperator!=(const self& x)const{return node != x.node;} reference operator*()const{return(*node).data;}#ifndef__SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR pointer operator->()const{return&(operator*());}#endif/* __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR */ 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;}};

四. list 数据结构

list不仅是一个双向链表，list头尾相连，是一个循环双向链表，并且在起始位置/结束为止还有一个哨兵位，即空白节点，通过该空白节点就可以满足STL对于"前闭后开"区间的要求。

list中只需要存储哨兵位就可以对整个数组进行操作了。

template<classT,classAlloc= alloc>classlist{protected:typedefvoid* void_pointer;typedef __list_node<T> list_node;typedef list_node* link_type;protected: link_type node;// 记录哨兵位节点的地址};

list的示意图：

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根据上图begin()不就是node->next，end()不就是node，以及在判断链表是否为空，链表的元素个数都可以通过该哨兵位作为标记进行处理。

template<classT,classAlloc= alloc>classlist{public: iterator begin(){return(link_type)((*node).next);} iterator end(){return node;}boolempty()const{return node->next == node;}// 判断是不是只有哨兵位 size_type size()const{// 遍历一遍链表 size_type result =0;distance(begin(),end(), result);return result;} reference front(){return*begin();}// 取迭代器对应的数据 reference back(){return*(--end());}protected: link_type node;};

五. list 的构造和内存管理

list缺省使用alloc作为空间配置器，并据此定义出了一个list_node_allocator专门以一个节点的大小进行空间配置。

template<classT,classAlloc= alloc>classlist{protected:typedef simple_alloc<list_node, Alloc> list_node_allocator; link_type get_node(){return list_node_allocator::allocate();}voidput_node(link_type p){ list_node_allocator::deallocate(p);}};template<classT,classAlloc>classsimple_alloc{public:static T *allocate(size_t n){return0== n?0:(T*)Alloc::allocate(n *sizeof(T));}static T *allocate(void){return(T*)Alloc::allocate(sizeof(T));}staticvoiddeallocate(T *p, size_t n){if(0!= n)Alloc::deallocate(p, n *sizeof(T));}staticvoiddeallocate(T *p){Alloc::deallocate(p,sizeof(T));}};

get_node是list中专门用来开辟一个节点空间的接口，而put_node则是专门用来释放一个接待点的。

template<classT,classAlloc= alloc>classlist{protected: link_type create_node(const T& x){ link_type p =get_node();// 开辟一个节点 __STL_TRY {construct(&p->data, x);// 用x对空间进行初始化}__STL_UNWIND(put_node(p));return p;}voiddestroy_node(link_type p){destroy(&p->data);// 析构对象put_node(p);// 释放空间}};

creat_node用来创建一个节点，带有元素值，destory_node销毁(析构 + 释放空间)一个节点。

list的有一个无参构造，这并不代表该链表内部不用开辟空间，即使是空链表内部也有一个哨兵位，并且该哨兵节点指向自己。

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六. list 的接口

list的接口太多了，此处只列举几个最频繁，最重要的几个。

iterator insert(iteraetor position , const T% x)

插入节点分为两步：

  1. 开辟空间，创建节点；
  2. 将节点插入到目标为止。
 iterator insert(iterator position,const T& x){ link_type tmp =create_node(x);// 为新节点开辟空间 tmp->next = position.node;// 将新节点加入到链表 tmp->prev = position.node->prev;(link_type(position.node->prev))->next = tmp; position.node->prev = tmp;return tmp;}

insert示意图如下：

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对于push_back() , push_front()都是调用insert实现的。

voidpush_front(const T& x){insert(begin(), x);}voidpush_back(const T& x){insert(end(), x);}

iterator erase(iterator position)指定为止删除：

当删除一个节点，分为两步：

  1. 将前一个节点与后一个节点相连，将目标节点移除链表；
  2. 实现节点空间。
 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;// 将前一个节点与后一个节点相连 next_node->prev = prev_node;destroy_node(position.node);// 销毁节点returniterator(next_node);}

同理pop_back() , pop_front()也调用erase()实现的。

voidpop_front(){erase(begin());}voidpop_back(){ iterator tmp =end();// tmp是哨兵位erase(--tmp);}

void clear() 清除所有节点：

将所有节点都进行销毁，将哨兵节点头尾相连。

template<classT,classAlloc>voidlist<T, Alloc>::clear(){ link_type cur =(link_type) node->next;// 从头结点开始while(cur != node){ link_type tmp = cur; cur =(link_type) cur->next;// 移动到下一个节点destroy_node(tmp);// 销毁} node->next = node;// 哨兵节点头尾相连 node->prev = node;}

void remove(const T& value)将链表中值为value的节点都删除。因为前面已经有erase了，所以在找到value节点时，可以直接进行删除。

template<classT,classAlloc>voidlist<T, Alloc>::remove(const T& value){ iterator first =begin(); iterator last =end();while(first != last){// 遍历链表 iterator next = first;++next;if(*first == value)erase(first);// 删除该位置 first = next;}

void unique()，移除数值相同的连续元素，只有"连续且相同的元素"才会被移除剩一个。

template<classT,classAlloc>voidlist<T, Alloc>::unique(){ iterator first =begin(); iterator last =end();if(first == last)return; iterator next = first;while(++next != last){// 从头到尾遍历链表if(*first ==*next)// first和下一个位置相同,删除下一个位置erase(next);else first = next;// 不相同,让first走到下一个位置  next = first;// 让next再赋值为first使得next与first比较的时候永远在first的下一个位置}}

在上述比较的时候，如果first后面的next于first相同，就将next移除，此时first后面的节点就是第三个节点了，可能还是于first相同，所以不能移动first的位置。

list内部提供了一个所谓的迁移操作transfer，可以将某一个链表的一部分进行进行迁移，迁移到当前链表的其他位置，或另一个链表上，这个操作也为后续的splice,sort,merge奠定了良好的基础，下面是transfer的源码：

template<classT,classAlloc>classlist{protected:voidtransfer(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;}}};

实际上transfer就是将指针的指向进行的一定的修改，将[first , last)移动到position位置之前，一共要修改6个指针的指向：

  1. position + 1 , position中间插入[frist , last - 1]需要改变4个指针指向，分别是first.prev , position.prev , (last - 1).next , (position + 1).next;
  2. 还要将first - 1 , last连接起来；

流程图如下：

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在上面的源码中，我们也看到了transfer时protected的，并没有向外公开，实际上对外公开的是另一个接口splice，该函数有三个重载，分别可以满足将整条list迁移到指定位置，将一个节点迁移到指定位置，将一个区间迁移到指定位置。

public:voidsplice(iterator position, list& x){// x必须于*this不同if(!x.empty())transfer(position, x.begin(), x.end());}voidsplice(iterator position, list&, iterator i){// x可以在*this上 iterator j = i;++j;if(position == i || position == j)return;transfer(position, i, j);}voidsplice(iterator position, list&, iterator first, iterator last){if(first != last)// position不能在区间内transfer(position, first, last);}

有了transfer这个接口，merge()的实现也就不难了，merge()可以将两个递增的链表进行合并，合并后的链表依旧有序：

public:template<classT,classAlloc>voidlist<T, Alloc>::merge(list<T, Alloc>& x){ iterator first1 =begin(); iterator last1 =end(); iterator first2 = x.begin(); iterator last2 = x.end();while(first1 != last1 && first2 != last2)// 遍历两个链表if(*first2 <*first1){// first2下,将其迁移到first1前  iterator next = first2;transfer(first1, first2,++next); first2 = next;}else++first1;if(first2 != last2)transfer(last1, first2, last2);// first2还没遍历完,直接迁移到first1末尾}

list中提供了一个reverse()接口，可以将链表进行逆置，时间上就是对链表中的节点进行迁移，将起始位置后面的节点依次迁移到起始节点前面：

public:template<classT,classAlloc>voidlist<T, Alloc>::reverse(){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);}}

list的迭代器不是随机随机迭代器，属于双向迭代器，依次不能直接使用库中提供的sort进行排序，list类中实现了自己的排序算法。

list的排序底层逻辑采用的是归并排序，只不过这种归并是自底向上的，即省略了上层分割的操作，直接从底依次拼接出完整的链表，示意图如下，下图中的分割阶段并不包含：

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  • carray存放要进行合并的链表；
  • counter[i]存放长度为 2 i 2^{i} 2i 还没进行归并的链表，让carray来归并；
  • fill存储counter的最大索引，还没使用的最小位置。

实际步骤：

  1. 先从*this中那节点放到carray上，此时carray有一个节点；
  2. 看counter[0]是否存在链表，如果有就让counter[0]和carray归并；
  3. 将归并的结果放到carray中，再判断counter[1]是否有链表，如果有继续归并；
  4. 重复上面的操作；
  5. 最后counter中存放着不同长度但是都是有序的链表，再将这些链表进行归并即可。
public:template<classT,classAlloc>voidlist<T, Alloc>::sort(){if(node->next == node ||link_type(node->next)->next == node)return; list<T, Alloc> carry;// 临时存储还未排序的链表,但是该链表内部必须递增 list<T, Alloc> counter[64];// 存储已经排序的链表int fill =0;while(!empty()){ carry.splice(carry.begin(),*this,begin());// 拿出一个节点int i =0;while(i < fill &&!counter[i].empty()){ counter[i].merge(carry);// carray和对应相同长度的链表进行归并放到counter[i]上 carry.swap(counter[i++]);// 将count[i]交换到carray上,让carray继续向上去归并} carry.swap(counter[i]);// 将carray已经排好的数据放回counter[i]中 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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