STL源码剖析之序列容器list

一、定义

容器list的特点是每次插入一个元素就配置一个空间，每次删除一个元素就释放一个空间。结构定义如下：

struct _List_node_base {
_List_node_base* _M_next;//后继指针
_List_node_base* _M_prev;//前驱指针
};

template <class _Tp>
struct _List_node : public _List_node_base {
_Tp _M_data; //数据域
};
由此可见，list底层是一个双向链表。
与vector的区别：

（1）vector分配的是一块连续的地址空间，随机访问效率高；list为离散的地址空间，插入删除效率高。

（2）vector底层为内存可扩展的数组，list底层为双向链表。

（3）vector迭代器支持自增自减以及其他算术运算，list除了自增自减不能支持其他算术运算。

（4）vector的插入删除或导致元素的重新配置，原有迭代器会失效；list的插入不会造成原有迭代器的失效，删除只是指向删除位置的迭代器失效。

二、list迭代器

struct _List_iterator_base {
typedef size_t size_type;
typedef ptrdiff_t difference_type;
typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;//迭代器设计为双向迭代器

_List_node_base* _M_node;//指向list结点的指针

_List_iterator_base(_List_node_base* __x) : _M_node(__x) {}//构造函数
_List_iterator_base() {}

void _M_incr() { _M_node = _M_node->_M_next; }
void _M_decr() { _M_node = _M_node->_M_prev; }

bool operator==(const _List_iterator_base& __x) const {//运算符==的重载
return _M_node == __x._M_node;
}
bool operator!=(const _List_iterator_base& __x) const {//运算符！=的重载
return _M_node != __x._M_node;
}
};

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) {}

reference operator*() const { return ((_Node*) _M_node)->_M_data; }//取结点数据值

#ifndef __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR
pointer operator->() const { return &(operator*()); }
#endif /* __SGI_STL_NO_ARROW_OPERATOR */

_Self& operator++() { //运算符前置++的重载
this->_M_incr();
return *this;
}
_Self operator++(int) { //运算符后置++
4000
的重载
_Self __tmp = *this;
this->_M_incr();
return __tmp;
}
_Self& operator--() { //运算符前置--的重载
this->_M_decr();
return *this;
}
_Self operator--(int) { //运算符后置--的重载
_Self __tmp = *this;
this->_M_decr();
return __tmp;
}
};

#ifndef __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION//如果编译器不支持偏特化

inline bidirectional_iterator_tag
iterator_category(const _List_iterator_base&)
{
return bidirectional_iterator_tag();
}

template <class _Tp, class _Ref, class _Ptr>
inline _Tp*
value_type(const _List_iterator<_Tp, _Ref, _Ptr>&)
{
return 0;
}

inline ptrdiff_t*
distance_type(const _List_iterator_base&)
{
return 0;
}

#endif /* __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION */
三、list的内存管理
template <class _Tp, class _Allocator, bool _IsStatic>
class _List_alloc_base {
public:
typedef typename _Alloc_traits<_Tp, _Allocator>::allocator_type//获取类型
allocator_type;
allocator_type get_allocator() const { return _Node_allocator; }

_List_alloc_base(const allocator_type& __a) : _Node_allocator(__a) {}//构造函数

protected:
_List_node<_Tp>* _M_get_node()//获取一个节点
{ return _Node_allocator.allocate(1); }
void _M_put_node(_List_node<_Tp>* __p)//删除一个节点
{ _Node_allocator.deallocate(__p, 1); }

protected:
typename _Alloc_traits<_List_node<_Tp>, _Allocator>::allocator_type
_Node_allocator;//定义空间配置器
_List_node<_Tp>* _M_node;//定义一个指针
};

// 空间配置器的一个特例化
template <class _Tp, class _Allocator>
class _List_alloc_base<_Tp, _Allocator, true> {
public:
typedef typename _Alloc_traits<_Tp, _Allocator>::allocator_type
allocator_type;
allocator_type get_allocator() const { return allocator_type(); }

_List_alloc_base(const allocator_type&) {}

protected:
typedef typename _Alloc_traits<_List_node<_Tp>, _Allocator>::_Alloc_type
_Alloc_type;
_List_node<_Tp>* _M_get_node() { return _Alloc_type::allocate(1); }
void _M_put_node(_List_node<_Tp>* __p) { _Alloc_type::deallocate(__p, 1); }

protected:
_List_node<_Tp>* _M_node;
};
//list的基类
template <class _Tp, class _Alloc>
class _List_base
: public _List_alloc_base<_Tp, _Alloc,
_Alloc_traits<_Tp, _Alloc>::_S_instanceless>
{
public:
typedef _List_alloc_base<_Tp, _Alloc,
_Alloc_traits<_Tp, _Alloc>::_S_instanceless>
_Base; //定义一个基类类型
typedef typename _Base::allocator_type allocator_type;

_List_base(const allocator_type& __a) : _Base(__a) {//构造函数
_M_node = _M_get_node();//获取节点
_M_node->_M_next = _M_node;//环形链表
_M_node->_M_prev = _M_node;
}
~_List_base() {//析构函数
clear();
_M_put_node(_M_node);
}

void clear();
};

#else /*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(); }

_List_base(const allocator_type&) {
_M_node = _M_get_node();
_M_node->_M_next = _M_node;
_M_node->_M_prev = _M_node;
}
~_List_base() {
clear();
_M_put_node(_M_node);
}

void clear();

protected:
typedef simple_alloc<_List_node<_Tp>, _Alloc> _Alloc_type;
_List_node<_Tp>* _M_get_node() { return _Alloc_type::allocate(1); }//申请结点
void _M_put_node(_List_node<_Tp>* __p) { _Alloc_type::deallocate(__p, 1); } //释放节点

protected:
_List_node<_Tp>* _M_node;//指向链表指针
};

四、list的源码
template <class _Tp, class _Alloc = __STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp) >
class list : protected _List_base<_Tp, _Alloc> {
__STL_CLASS_REQUIRES(_Tp, _Assignable);

typedef _List_base<_Tp, _Alloc> _Base;//定义基类类型
protected:
typedef void* _Void_pointer;//定义一个指针

public:
typedef _Tp 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<_Tp> _Node;
typedef size_t size_type;
typedef ptrdiff_t difference_type;

typedef typename _Base::allocator_type allocator_type;
allocator_type get_allocator() const { return _Base::get_allocator(); }

public:
typedef _List_iterator<_Tp,_Tp&,_Tp*> iterator;//定义一个迭代器
typedef _List_iterator<_Tp,const _Tp&,const _Tp*> const_iterator;

#ifdef __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION
typedef reverse_iterator<const_iterator> const_reverse_iterator;
typedef reverse_iterator<iterator> reverse_iterator;
#else /* __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION */
typedef reverse_bidirectional_iterator<const_iterator,value_type,
const_reference,difference_type>
const_reverse_iterator;
typedef reverse_bidirectional_iterator<iterator,value_type,reference,
difference_type>
reverse_iterator;
#endif /* __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION */

protected:
#ifdef __STL_HAS_NAMESPACES
using _Base::_M_node;
using _Base::_M_put_node;
using _Base::_M_get_node;
#endif /* __STL_HAS_NAMESPACES */

protected:
_Node* _M_create_node(const _Tp& __x)//创建一个节点
{
_Node* __p = _M_get_node();
__STL_TRY {
_Construct(&__p->_M_data, __x);//初始化空间
}
__STL_UNWIND(_M_put_node(__p));
return __p;
}

_Node* _M_create_node()
{
_Node* __p = _M_get_node();
__STL_TRY {
_Construct(&__p->_M_data);
}
__STL_UNWIND(_M_put_node(__p));
return __p;
}

public:
explicit list(const allocator_type& __a = allocator_type()) : _Base(__a) {}//构造函数

iterator begin() { return (_Node*)(_M_node->_M_next); }//获得第一个元素位置
const_iterator begin() const { return (_Node*)(_M_node->_M_next); }

iterator end() { return _M_node; }//获得最后一个标志位（list为双向链表）
const_iterator end() const { return _M_node; }

reverse_iterator rbegin() //反向迭代器
{ 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()); }

bool empty() const { return _M_node->_M_next == _M_node; }//判断是否为空
size_type size() const { //获得元素个数
size_type __result = 0;
distance(begin(), end(), __result);
return __result;
}
size_type max_size() const { return size_type(-1); }

reference front() { return *begin(); }//访问第一个元素
const_reference front() const { return *begin(); }
reference back() { return *(--end()); }//访问最后一个元素
const_reference back() const { return *(--end()); }

void swap(list<_Tp, _Alloc>& __x) { __STD::swap(_M_node, __x._M_node); }//交换两个list

iterator insert(iterator __position, const _Tp& __x) {//在指定位置插入元素
_Node* __tmp = _M_create_node(__x);
__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;
return __tmp;
}
iterator insert(iterator __position) { return insert(__position, _Tp()); }
#ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES
// Check whether it's an integral type. If so, it's not an iterator.

template<class _Integer>
void _M_insert_dispatch(iterator __pos, _Integer __n, _Integer __x,
__true_type) {
_M_fill_insert(__pos, (size_type) __n, (_Tp) __x);
}

template <class _InputIterator>
void _M_insert_dispatch(iterator __pos,
_InputIterator __first, _InputIterator __last,
__false_type);

template <class _InputIterator>
void insert(iterator __pos, _InputIterator __first, _InputIterator __last) {
typedef typename _Is_integer<_InputIterator>::_Integral _Integral;
_M_insert_dispatch(__pos, __first, __last, _Integral());
}

#else /* __STL_MEMBER_TEMPLATES */
void insert(iterator __position, const _Tp* __first, const _Tp* __last);
void insert(iterator __position,
const_iterator __first, const_iterator __last);
#endif /* __STL_MEMBER_TEMPLATES */
void insert(iterator __pos, size_type __n, const _Tp& __x)
{ _M_fill_insert(__pos, __n, __x); }
void _M_fill_insert(iterator __pos, size_type __n, const _Tp& __x);

void push_front(const _Tp& __x) { insert(begin(), __x); }//在表头插入元素
void push_front() {insert(begin());}
void push_back(const _Tp& __x) { insert(end(), __x); }//在表尾插入元素
void push_back() {insert(end());}

iterator erase(iterator __position) {//删除某位置元素
_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);
return iterator((_Node*) __next_node);
}
iterator erase(iterator __first, iterator __last);//删除区间元素
void clear() { _Base::clear(); }

void resize(size_type __new_size, const _Tp& __x);//重置大小
void resize(size_type __new_size) { this->resize(__new_size, _Tp()); }

void pop_front() { erase(begin()); }//删除头部元素
void pop_back() { //删除尾部元素
iterator __tmp = end();
erase(--__tmp);
}
list(size_type __n, const _Tp& __value,
const allocator_type& __a = allocator_type())
: _Base(__a)
{ insert(begin(), __n, __value); }
explicit list(size_type __n)
: _Base(allocator_type())
{ insert(begin(), __n, _Tp()); }

#ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES

// We don't need any dispatching tricks here, because insert does all of
// that anyway.
template <class _InputIterator>
list(_InputIterator __first, _InputIterator __last,
const allocator_type& __a = allocator_type())
: _Base(__a)
{ insert(begin(), __first, __last); }

#else /* __STL_MEMBER_TEMPLATES */

list(const _Tp* __first, const _Tp* __last,
const allocator_type& __a = allocator_type())
: _Base(__a)
{ this->insert(begin(), __first, __last); }
list(const_iterator __first, const_iterator __last,
const allocator_type& __a = allocator_type())
: _Base(__a)
{ this->insert(begin(), __first, __last); }

#endif /* __STL_MEMBER_TEMPLATES */
list(const list<_Tp, _Alloc>& __x) : _Base(__x.get_allocator())//拷贝函数
{ insert(begin(), __x.begin(), __x.end()); }

~list() { }//析构函数

list<_Tp, _Alloc>& operator=(const list<_Tp, _Alloc>& __x);//赋值运算符重在

public:
void splice(iterator __position, list& __x) {//list分割函数
if (!__x.empty())
this->transfer(__position, __x.begin(), __x.end());
}
void splice(iterator __position, list&, iterator __i) {
iterator __j = __i;
++__j;
if (__position == __i || __position == __j) return;
this->transfer(__position, __i, __j);
}
void splice(iterator __position, list&, iterator __first, iterator __last) {
if (__first != __last)
this->transfer(__position, __first, __last);
}
void remove(const _Tp& __value);
void unique();
void merge(list& __x);
void reverse();
void sort();
};

template <class _Tp, class _Alloc>
inline bool
operator==(const list<_Tp,_Alloc>& __x, const list<_Tp,_Alloc>& __y)//运算符==的重载
{
typedef typename list<_Tp,_Alloc>::const_iterator const_iterator;
const_iterator __end1 = __x.end();
const_iterator __end2 = __y.end();

const_iterator __i1 = __x.begin();
const_iterator __i2 = __y.begin();
while (__i1 != __end1 && __i2 != __end2 && *__i1 == *__i2) {
++__i1;
++__i2;
}
return __i1 == __end1 && __i2 == __end2;
}

template <class _Tp, class _Alloc>
inline bool operator<(const list<_Tp,_Alloc>& __x,//运算符<的重载
const list<_Tp,_Alloc>& __y)
{
return lexicographical_compare(__x.begin(), __x.end(),
__y.begin(), __y.end());
}

template <class _Tp, class _Alloc>
void list<_Tp, _Alloc>::remove(const _Tp& __value)//移除某个元素
{
iterator __first = begin();
iterator __last = end();
while (__first != __last) {
iterator __next = __first;
++__next;
if (*__first == __value) erase(__first);
__first = __next;
}
}

template <class _Tp, class _Alloc>
void list<_Tp, _Alloc>::unique()//移除相同元素
{
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;
}
}

template <class _Tp, class _Alloc>
void list<_Tp, _Alloc>::merge(list<_Tp, _Alloc>& __x)//两个list的合并
{
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;
transfer(__first1, __first2, ++__next);
__first2 = __next;
}
else
++__first1;
if (__first2 != __last2) transfer(__last1, __first2, __last2);
}

inline void __List_base_reverse(_List_node_base* __p)//链表内容转置
{
_List_node_base* __tmp = __p;
do {
__STD::swap(__tmp->_M_next, __tmp->_M_prev);
__tmp = __tmp->_M_prev; // 原来的后继结点变成前驱
} while (__tmp != __p);
}

template <class _Tp, class _Alloc>
inline void list<_Tp, _Alloc>::reverse()
{
__List_base_reverse(this->_M_node);
}

template <class _Tp, class _Alloc>
void list<_Tp, _Alloc>::sort()//排序
{
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]);
}
}

#ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES

template <class _Tp, class _Alloc> template <class _Predicate>
void list<_Tp, _Alloc>::remove_if(_Predicate __pred)//移除满足条件的元素
{
iterator __first = begin();
iterator __last = end();
while (__first != __last) {
iterator __next = __first;
++__next;
if (__pred(*__first)) erase(__first);
__first = __next;
}
}

template <class _Tp, class _Alloc> template <class _BinaryPredicate>
void list<_Tp, _Alloc>::unique(_BinaryPredicate __binary_pred)//移除数值相同的元素
{
iterator __first = begin();
iterator __last = end();
if (__first == __last) return;//链表为空
iterator __next = __first;
while (++__next != __last) {
if (__binary_pred(*__first, *__next))
erase(__next);//数值相同移除后面的一个
else
__first = __next;
__next = __first;
}
}

template
9aa1
<class _Tp, class _Alloc> template <class _StrictWeakOrdering>//两个链表的合并函数
void list<_Tp, _Alloc>::merge(list<_Tp, _Alloc>& __x,
_StrictWeakOrdering __comp)//comp为合并策略
{
iterator __first1 = begin();
iterator __last1 = end();
iterator __first2 = __x.begin();
iterator __last2 = __x.end();
while (__first1 != __last1 && __first2 != __last2)
if (__comp(*__first2, *__first1)) {
iterator __next = __first2;
transfer(__first1, __first2, ++__next);
__first2 = __next;
}
else
++__first1;
if (__first2 != __last2) transfer(__last1, __first2, __last2);
}

template <class _Tp, class _Alloc> template <class _StrictWeakOrdering>
void list<_Tp, _Alloc>::sort(_StrictWeakOrdering __comp)//排序函数
{
if (_M_node->_M_next != _M_node && _M_node->_M_next->_M_next != _M_node) {//确保链表不为空且元素大于1
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, __comp);
__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], __comp);
swap(__counter[__fill-1]);
}
}