list

list 节点和 list 数据结构

list 节点：

//@ 以下是list链表节点的数据结构
struct _List_node_base {
  _List_node_base* _M_next;	//@ 指向直接后继节点
  _List_node_base* _M_prev;	//@ 指向直接前驱节点
};

template <class _Tp>
struct _List_node : public _List_node_base {
  _Tp _M_data;	//@ 节点存储的数据
};

list 本身的数据结构是只有一个指向链表节点的指针，因为 list 容器是循环双向链表，则足够遍历整个链表：

//@ 以下是双向链表list类的定义，分配器_Alloc默认为第二级配置器
template <class _Tp, class _Alloc = __STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp) >
class list : protected _List_base<_Tp, _Alloc> { 
	 ...
public:
	typedef _List_node<_Tp> _Node;
protected:
	//@ 定义指向链表节点指针
	_List_node<_Tp>* _M_node;
	...
};

list 容器的迭代器

  • list 容器的内存空间存储不一定是连续的，则不能用普通指针做为迭代器。
  • list 容器的迭代器是双向迭代器，这也是导致list容器的排序成员函数 sort() 不能使用 STL 算法中的排序函数，因为STL中的排序算法接受的迭代器是随机访问迭代器。
  • list容器在进行插入和拼接操作时迭代器不会失效。
//@ 以下是链表List_iterator_base的迭代器
struct _List_iterator_base {
//@ 数据类型
  typedef size_t                     size_type;
  typedef ptrdiff_t                  difference_type;
  //@ list迭代器的类型是双向迭代器 bidirectional_iterator
  typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;

  //@ 定义指向链表节点的指针
  _List_node_base* _M_node;

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

  //@ 更新节点指针，指向直接前驱或直接后继节点
  void _M_incr() { _M_node = _M_node->_M_next; }
  void _M_decr() { _M_node = _M_node->_M_prev; }

  //@ 操作符重载
  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;
  }
};  

//@ 以下是链表List_iterator的迭代器
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;

  //@ 构造函数
  _List_iterator(_Node* __x) : _List_iterator_base(__x) {}
  _List_iterator() {}
  _List_iterator(const iterator& __x) : _List_iterator_base(__x._M_node) {}

  //@ 以下都是基本操作符的重载,取出节点数据
  reference operator*() const { return ((_Node*) _M_node)->_M_data; }

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

  _Self& operator++() { 
    this->_M_incr();
    return *this;
  }
  _Self operator++(int) { 
    _Self __tmp = *this;
    this->_M_incr();
    return __tmp;
  }
  _Self& operator--() { 
    this->_M_decr();
    return *this;
  }
  _Self operator--(int) { 
    _Self __tmp = *this;
    this->_M_decr();
    return __tmp;
  }
};

#ifndef __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION

//@ 返回迭代器的类型
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 */

list 容器的构造函数和析构函数

template <class _Tp, class _Alloc = __STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp) >
class list : protected _List_base<_Tp, _Alloc> {
public:
  explicit list(const allocator_type& __a = allocator_type()) : _Base(__a) {}
  
  //@ 构造拥有 n 个有值 value 的元素的容器
  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 */

  //@ 构造拥有范围 [first, last) 内容的容器
  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())
    { insert(begin(), __x.begin(), __x.end()); }

  ~list() { }
  
    //@ 赋值运算符
  list<_Tp, _Alloc>& operator=(const list<_Tp, _Alloc>& __x);
  
  //@ ...
  protected:
	//@ 创建值为x的节点，并返回该节点的地址
  _Node* _M_create_node(const _Tp& __x)
  {
    _Node* __p = _M_get_node();	//@ 分配一个节点空间
    __STL_TRY {	//@ 把x值赋予指定的地址，即是data值
      _Construct(&__p->_M_data, __x);
    }
    __STL_UNWIND(_M_put_node(__p));
    return __p;	//@ 返回节点地址
  }

  //@ 创建默认值的节点
  _Node* _M_create_node()
  {
    _Node* __p = _M_get_node();
    __STL_TRY {
      _Construct(&__p->_M_data);
    }
    __STL_UNWIND(_M_put_node(__p));
    return __p;
  }
};

list 容器的成员函数

迭代器

template <class _Tp, class _Alloc = __STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp) >
class list : protected _List_base<_Tp, _Alloc> {
  //@ 指向首元素的迭代器
  iterator begin()             { return (_Node*)(_M_node->_M_next); }
  const_iterator begin() const { return (_Node*)(_M_node->_M_next); }
  //@ 指向容器尾端的迭代器
  iterator end()             { return _M_node; }
  const_iterator end() const { return _M_node; }
  //@ 指向容器尾端的逆迭代器
  reverse_iterator rbegin() 
    { return reverse_iterator(end()); }
  const_reverse_iterator rbegin() const 
    { return const_reverse_iterator(end()); }
  //@ 指向容器首部的逆迭代器
  reverse_iterator rend()
    { return reverse_iterator(begin()); }
  const_reverse_iterator rend() const
    { return const_reverse_iterator(begin()); }
};

容量

  //@ 判断链表是否为空链表
  bool empty() const { return _M_node->_M_next == _M_node; }
 
  //@ 返回链表的大小
  size_type size() const {
    size_type __result = 0;
	//@ 返回两个迭代器之间的距离
    distance(begin(), end(), __result);
	//@ 返回链表的元素个数
    return __result;
  }
  size_type max_size() const { return size_type(-1); }

元素访问

 //@ 返回第一个节点数据的引用，reference相当于value_type&
  reference front() { return *begin(); }
  const_reference front() const { return *begin(); }
  //@ 返回最后一个节点数据的引用
  reference back() { return *(--end()); }
  const_reference back() const { return *(--end()); }

修改

 //@ 交换链表容器的内容
  void swap(list<_Tp, _Alloc>& __x) { __STD::swap(_M_node, __x._M_node); }

    /**********以下是插入节点函数的原型，也是公共接口********
	//@ 在指定的位置pos之前插入值为value的数据节点
	iterator insert( iterator pos, const T& value );
	iterator insert( const_iterator pos, const T& value );

	//@ 在指定的位置pos之前插入n个值为value的数据节点
	void insert( iterator pos, size_type count, const T& value );
	iterator insert( const_iterator pos, size_type count, const T& value );

	//@ 在指定的位置pos之前插入[first,last)之间的数据节点
	template< class InputIt >
	void insert( iterator pos, InputIt first, InputIt last);
	template< class InputIt >
	iterator insert( const_iterator pos, InputIt first, InputIt last );
  *************************************/
  
 //@ 在指定的位置插入初始值为x的节点
  iterator insert(iterator __position, const _Tp& __x) {
	 //@ 首先创建一个初始值为x的节点，并返回该节点的地址
    _Node* __tmp = _M_create_node(__x);
	//@ 调整节点指针，把新节点插入到指定位置
    __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;
	//@ 返回新节点地址
    return __tmp;
  }
  //@ 在指定的位置插入为默认值的节点
  iterator insert(iterator __position) { return insert(__position, _Tp()); }

  //@ 在指定位置插入n个初始值为x的节点
  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); 

#ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES
  // Check whether it's an integral type.  If so, it's not an iterator.
  //@ 这里采用__type_traits技术
 
  //@ 在指定位置插入指定范围内的数据
  //@ 首先判断输入迭代器类型_InputIterator是否为整数类型
  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());
  }
  
  //@ 若输入迭代器类型_InputIterator是为整数类型，调用此函数
  template<class _Integer>
  void _M_insert_dispatch(iterator __pos, _Integer __n, _Integer __x,
                          __true_type) {
    _M_fill_insert(__pos, (size_type) __n, (_Tp) __x);
  }

  //@ 若输入迭代器类型_InputIterator是不为整数类型，调用此函数
  template <class _InputIterator>
  void _M_insert_dispatch(iterator __pos,
                          _InputIterator __first, _InputIterator __last,
                          __false_type);

 #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 */
  
  //@ 在链表头插入节点
  void push_front(const _Tp& __x) { insert(begin(), __x); }
  void push_front() {insert(begin());}
  //@ 在链表尾插入节点
  void push_back(const _Tp& __x) { insert(end(), __x); }
  void push_back() {insert(end());}

  /******************************
	//@ 删除指定位置pos的节点
	iterator erase( iterator pos );
	iterator erase( const_iterator pos );

	//@ 删除指定范围[first,last)的数据节点
	iterator erase( iterator first, iterator last );
	iterator erase( const_iterator first, const_iterator last );
  ******************************/

  //@ 在指定位置position删除节点，并返回直接后继节点的地址
  iterator erase(iterator __position) {
	 //@ 调整前驱和后继节点的位置
    _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);
  }
  
  //@ 删除两个迭代器之间的节点
  iterator erase(iterator __first, iterator __last);
  //@ 清空链表，这里是调用父类的clear()函数
  void clear() { _Base::clear(); }

  //@ 调整链表的大小
  void resize(size_type __new_size, const _Tp& __x);
  void resize(size_type __new_size) { this->resize(__new_size, _Tp()); }

  //@ 取出第一个数据节点
  void pop_front() { erase(begin()); }
  //@ 取出最后一个数据节点
  void pop_back() { 
    iterator __tmp = end();
    erase(--__tmp);
  }
  
    //@ assign()函数的两个版本原型，功能是在已定义的list容器填充值
   void assign( size_type count, const T& value );
  //@ 这里是第一个版本void assign( size_type count, const T& value );
  void assign(size_type __n, const _Tp& __val) { _M_fill_assign(__n, __val); }

  void _M_fill_assign(size_type __n, const _Tp& __val);

#ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES

  //以下是针对assign()函数的第二个版本
  /*
	template< class InputIt >
	void assign( InputIt first, InputIt last );
	这里有偏特化的现象，判断输入数据类型是否为整数型别
  */
  template <class _InputIterator>
  void assign(_InputIterator __first, _InputIterator __last) {
    typedef typename _Is_integer<_InputIterator>::_Integral _Integral;
    _M_assign_dispatch(__first, __last, _Integral());
  }

  //@ 若输入数据类型为整数型别，则派送到此函数
  template <class _Integer>
  void _M_assign_dispatch(_Integer __n, _Integer __val, __true_type)
    { _M_fill_assign((size_type) __n, (_Tp) __val); }

  //@ 若输入数据类型不是整数型别，则派送到此函数
  template <class _InputIterator>
  void _M_assign_dispatch(_InputIterator __first, _InputIterator __last,
                          __false_type);

#endif /* __STL_MEMBER_TEMPLATES */

protected:
	//@ 把区间[first,last）的节点数据插入到指定节点position之前,position不能在区间内部
	//@ 这个函数是list类的protected属性，不是公共接口，只为list类成员服务
	//@ 为下面拼接函数void splice()服务
  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;
    }
  }

insert

 //@ 在指定的位置插入初始值为x的节点
  iterator insert(iterator __position, const _Tp& __x) {
	  //@ 首先创建一个初始值为x的节点，并返回该节点的地址
    _Node* __tmp = _M_create_node(__x);
	//@ 调整节点指针，把新节点插入到指定位置
    __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;
	//@ 返回新节点地址
    return __tmp;
  }

在以下 list 链表中节点5之前插入节点9：

  • 首先初始化节点9，并为其分配节点空间。
  • 调整节点5指针方向，使其与节点9连接。
  • 调整节点5的前驱结点7指针的方向，使其与节点9连接。

erase

  //@ 在指定位置position删除节点，并返回直接后继节点的地址
  iterator erase(iterator __position) {
	 //@ 调整前驱和后继节点的位置
    _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);
  }

在以下 list 链表中删除节点5：

  • 首先调整待删除节点直接前驱指针，使其指向待删除节点的直接后继节点。
  • 调整待删除节点直接后继指针方向，使其指向待删除节点的直接前驱节点。
  • 释放待删除节点对象，回收待删除节点内存空。

transfer

transfer() 函数不是公共接口，属于 list 容器的保护成员函数，但是它为拼接函数服务，拼接函数的核心就是迁移函数，transfer() 和 splice() 函数源代码剖析如下：

protected:
  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:
	//@ 将链表x拼接到当前链表的指定位置position之前
	//@ 这里x和*this必须不同，即是两个不同的链表
  void splice(iterator __position, list& __x) {
    if (!__x.empty()) 
      this->transfer(__position, __x.begin(), __x.end());
  }
  
  //@ 将i所指向的节点拼接到position所指位置之前
  //@ 注意：i和position可以指向同一个链表
  void splice(iterator __position, list&, iterator __i) {
    iterator __j = __i;
    ++__j;
	//@ 若i和position指向同一个链表，且指向同一位置
	//@ 或者i和position指向同一个链表，且就在position的直接前驱位置
	//@ 针对以上这两种情况，不做任何操作
    if (__position == __i || __position == __j) return;
	//@ 否则，进行拼接操作
    this->transfer(__position, __i, __j);
  }
  //@ 将范围[first,last)内所有节点拼接到position所指位置之前
  //@ 注意：[first,last)和position可指向同一个链表，
  //@ 但是position不能在[first,last)范围之内
  void splice(iterator __position, list&, iterator __first, iterator __last) {
    if (__first != __last) 
      this->transfer(__position, __first, __last);
  }

Remove[first, last)

Splice [first, last)

操作

	//@ 把链表拼接到当前链表指定位置position之前
	//@ void splice(const_iterator pos, list& other);
	
	//@ 把it在链表other所指的位置拼接到当前链表pos之前，it和pos可指向同一链表
	void splice(const_iterator pos, list& other, const_iterator it);

	//@ 把链表other的节点范围[first,last)拼接在当前链表所指定的位置pos之前
	//@ [first,last)和pos可指向同一链表
	void splice(const_iterator pos, list& other,
            const_iterator first, const_iterator last);

	//@ 将链表x拼接到当前链表的指定位置position之前
	//@ 这里x和*this必须不同，即是两个不同的链表
  void splice(iterator __position, list& __x) {
    if (!__x.empty()) 
      this->transfer(__position, __x.begin(), __x.end());
  }
  
  //@ 将i所指向的节点拼接到position所指位置之前
  //@ 注意：i和position可以指向同一个链表
  void splice(iterator __position, list&, iterator __i) {
    iterator __j = __i;
    ++__j;
	//@ 若i和position指向同一个链表，且指向同一位置
	//@ 或者i和position指向同一个链表，且就在position的直接前驱位置
	//@ 针对以上这两种情况，不做任何操作
    if (__position == __i || __position == __j) return;
	//@ 否则，进行拼接操作
    this->transfer(__position, __i, __j);
  }
  
  //@ 将范围[first,last)内所有节点拼接到position所指位置之前
  //@ 注意：[first,last)和position可指向同一个链表，
  //@ 但是position不能在[first,last)范围之内
  void splice(iterator __position, list&, iterator __first, iterator __last) {
    if (__first != __last) 
      this->transfer(__position, __first, __last);
  }
 
  //@ 以下是成员函数声明，定义在list类外实现
  //@ 删除链表中值等于value的所有节点
  void remove(const _Tp& __value);
  //@ 删除连续重复的元素节点，使之唯一
  //@ 注意：是连续的重复元素
  void unique();
  //@ 合并两个已排序的链表
  void merge(list& __x);
  //@ 反转链表容器的内容
  void reverse();
  //@ 按升序排序链表内容
  void sort();
  
  #ifdef __STL_MEMBER_TEMPLATES
  template <class _Predicate> void remove_if(_Predicate);
  template <class _BinaryPredicate> void unique(_BinaryPredicate);
  template <class _StrictWeakOrdering> void merge(list&, _StrictWeakOrdering);
  template <class _StrictWeakOrdering> void sort(_StrictWeakOrdering);
 #endif /* __STL_MEMBER_TEMPLATES */

list 容器的操作符重载

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

#ifdef __STL_FUNCTION_TMPL_PARTIAL_ORDER

template <class _Tp, class _Alloc>
inline bool operator!=(const list<_Tp,_Alloc>& __x,
                       const list<_Tp,_Alloc>& __y) {
  return !(__x == __y);
}

template <class _Tp, class _Alloc>
inline bool operator>(const list<_Tp,_Alloc>& __x,
                      const list<_Tp,_Alloc>& __y) {
  return __y < __x;
}

template <class _Tp, class _Alloc>
inline bool operator<=(const list<_Tp,_Alloc>& __x,
                       const list<_Tp,_Alloc>& __y) {
  return !(__y < __x);
}

template <class _Tp, class _Alloc>
inline bool operator>=(const list<_Tp,_Alloc>& __x,
                       const list<_Tp,_Alloc>& __y) {
  return !(__x < __y);
}

//交换两个链表内容
template <class _Tp, class _Alloc>
inline void 
swap(list<_Tp, _Alloc>& __x, list<_Tp, _Alloc>& __y)
{
  __x.swap(__y);
}

总结

  • list 容器是一个循环的双向链表。

  • list 的内存空间效率较 vector 容器高，每分配一个元素都会从内存中分配，每删除一个元素都会释放它占用的内存。

  • list 容器的迭代器是双向迭代器，因而无法使用 STL 算法中的 sort。list 容器在进行插入操作或拼接操作时，迭代器并不会失效。

  • list 可以在任意位置进行插入/删除，任何位置的插入/删除的时间复杂度都是 O(1)；访问效率低，需要遍历整个链表，访问开头和结尾两个元素的时间复杂度为 O(1)，其它位置访问的时间复杂度为 O(n)。

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