STL源码剖析---list

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：

 

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// list结点, 提供双向访问能力
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//  --------           --------           --------           --------
//  | 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;
	}
};

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// list不仅是个双向链表, 而且还是一个环状双向链表
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//       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destroy
	void 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 rollback
	link_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 rollback
	void 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end
	iterator 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);
    else
      insert(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);
    else
      first = 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);
}