【C++】详解STL的容器之一：list

简介

C++的STL有六大组件：仿函数， 空间配置器， 算法， 容器， 迭代器，配接器。list属于容器的一种。

list的设计使用了模板，是一种泛型编程。

初识list

模型

list是带哨兵位的双向循环链表。

链表是由一个一个的节点通过指针链接起来的。list的节点设计：prev指针指向前一个节点，next指针指向下一个节点，data储存数据。如下图

而list想要实现双向循环链表，只需用一个指针指向不储存数据的节点——哨兵位节点或头节点。让哨兵位节点将整条链表首尾相连。哨兵位的next是链表的头节点，哨兵位的prev是链表的尾节点，如下图

list容器的优缺点

优点：**头部插入，头部删除，尾部插入，尾部删除的时间复杂度位O(1)**。list的指针是一直指向哨兵位节点的，通过哨兵位节点能找到链表的头节点和尾节点，从而实现头插，头删，尾插，尾删操作。

缺点：对链表中的数据进行排序的时间复杂度会很高。找链表中的某一个数据时，需要遍历链表。

list的迭代器

list的每个节点在内存中储存不是连续的。

普通的指针不能完成对链表的遍历——加加指针不能使指针指向下一个节点，减减指针不能使指针指向上一个节点。指针的解引用不能完成对数据存取——普通指针解引用是整个节点，而不是节点里存的数据。

所以不能用普通指针做list的迭代器。应该对普通指针进行封装，将封装之后的普通指针作为list的迭代器。该迭代器能完成链表的遍历，数据的存取等操作。

具体怎样封装，下面介绍源代码思路和模拟实现时会详细讲解

迭代器失效：把迭代器指向的节点删除掉，会让该迭代器失效，类似于野指针的问题。在迭代器指向节点的前面或后面插入节点，不会使迭代器失效。

常用接口介绍

获取迭代器

begin

返回哨兵位前一个节点的位置

end

返回哨兵位节点的位置

empty

检测list是否为空，是返回true，否则返回false

size

返回list中有效节点的个数

front

返回list的第一个节点中值的引用

back

返回list的最后一个节点中值的引用

insert

在list的 position 迭代器指向的节点之前插入值为val的节点,返回新插入节点的迭代器

push_front

在链表的头部插入一个值为val的节点

pop_front

删除头部位置的节点
erase

删除position迭代器指向的节点，或删除从first到last迭代器区间的节点，返回下一个位置的迭代器

push_back

在链表的尾部插入值为val的节点

pop_back

删除最后一个节点

clear

删除所有有效节点

源代码思路

下面内容参考侯捷老师的《STL源码剖析》

源代码中涉及空间配置器的部分不做重点讲解，只需知道空间配置器是为了给节点list申请空间的即可。

小编摘抄部分源码，带大家了解list设计的大概框架。具体实现的细节在模拟实现时讲解

节点设计

template <class T>
struct __list_node 
{
    typedef void* void_pointer;
    void_pointer* prev;
    void_pointer* next;
    T data;

}

struct在C语言中是结构体，在C++中是类。用struct封装不加访问限定符默认成员是公有的。迭代器和链表需要访问节点的数据，设计成共有是为了方便访问。设计成私有需要声明友元。

prev和next的指针是void类型是因为不知道数据的类型，源码在实现其他接口时会把void进行强转。和下面代码的设计是等价的

__list_node<T> prev;* ** __list_node<T>* next；**

data是用来储存数据的

迭代器的设计

template <class T, class Ref, class Ptr> 
struct __list_iterator  
{
    typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;
    typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr> self;

    typedef T value_type;

    typedef Ptr pointer;
    typedef Ref reference;

    typedef __list_node<T>* link_type;
    link_type node; //节点指针  核心数据

//运算符重载，为了让node能像普通指针一样

    //解引用重载
    reference operator*()const //Ref
    {
        return (*node).data;
    }
    //->运算符重载
    pointer operator->() const  //Ptr
    {
        return &(operator*());
    }
    //++运算符重载.....
 
    //--运算符重载....
    
    //==运算符重载....

    //......
}

成员全部共有，方便list访问

Ref和Ptr两个模板参数是为了区分普通迭代器和const迭代器，如下代码

typedef __list_iterator<T, T&, T*>  iterator;   //迭代器别名   
typedef __list_iterator<T, const T&, const T*>  const_iterator; //const迭代器别名

如下图

node是节点的指针，是核心数据。在迭代器这个类中，重载了*** -> ++ -- == != **运算符是为了让结点指针能像普通指针一样，完成对链表的遍历和对数据的存取。这便是封装的魅力。

list的设计

template <class T, class Alloc = alloc>
class list
{
protected:
    typedef __list_node<T> list_node;

public:
    typedef list_node* link_type;

protected:
    link_type node;
}

上文已经提到，只需用一个节点指针node指向哨兵位节点，便可以通过迭代器对整条链表增删查改。

begin()

iterator begin()
{
return (link_type)((*node).next);
}

获取哨兵位节点的下一个指针next，但next是void*类型的指针，需要强转成节点类型的指针

end()

iterator end()
{
return node;
}

获取尾节点的下一个节点的指针——哨兵位****节点指针

空构造

void empty_initialize()
{

node = get_node(); //为哨兵位开空间

node->next = node; //没有有效节点，首尾指针都指向自己

node->prev = node;

}

list()//构造函数，构造空链表
{
empty_initialize();

}

list是允许构造空链表的

详解构造函数：http://t.csdnimg.cn/Iu0t4

insert()

iterator insert (iterator position, const T& x)
{

link_type tmp = create_node(x);

tmp->next = position.node;
tmp->prev =  position.node->prev;
(link_type(position.node->prev))->net = tmp;
position.node->prev = tmp;

return tmp;

}

上述代码中有经过封装的函数。但大致思路如下图

隐式类型转换：http://t.csdnimg.cn/jBT7I

push_back

void push_back(const T& x)
{
insert(end(), x);

}

复用insert

模拟实现

目的：源代码的变量经过了嵌套的typedef，函数经过层层封装。用源代码理解list的实现细节和运行机制并不容易。用源代码的的框架和实现思路实现一个简易的list，帮助我们更好的理解list。

模拟实现是用new和delete，管理list的内存。详见内存管理一文：http://t.csdnimg.cn/byO3P

节点设计

template <class T>
struct __list_node
{
    T* prev;//指向前一个节点
    T* next;//指向后一个节点
    T data;//储存数据

    __list_node(const T& val = T()) //构造函数
        :prev(nullptr)
        , next(nullptr)  //参数列表
        , data(val)
    {

    }
};

迭代器设计

template <class T, class Ref, class Ptr>  //封装指针
struct __list_iterator
{

    typedef __list_iterator<T, Ref, Ptr>  self;   //迭代器别名 

    typedef __list_node<T>  list_node; //节点别名别名  

    list_node* p_node;   //节点指针 

    __list_iterator(list_node* val)  
        :p_node(val)        
    {

    };     

    T operator*()//解引用重载
    {
        return  p_node->data;        
    }; 

    Ref operator*()//解引用重载 
    {
        return  p_node->data;
    };

    T operator->()
    {
        return &p_node->data;
    }
    Ptr operator->()     
    {
        return &p_node->data;
    }

    self& operator++()//加加运算符重载 
    {
        return p_node->next; 
    };

    bool operator!=(const self val)//不等于运算符重载
    {
        return p_node != val.p_node;
    };

    bool operator==(const self val)//等于运算符重载  
    {
        return p_node == val.p_node; 
    };
    
};

list设计

框架

template <class T>
class list
{
    typedef __list_node<T>  list_node; //节点指针别名
    typedef __list_iterator<T, T&, T*>  iterator;   //迭代器别名   
    typedef __list_iterator<T, const T&, const T*>  const_iterator;   //const迭代器别名    

    
public:

//接口......

private:
    list_node* head_node;//头节点，只要一个指针便可代表整个链表 

};

获取迭代器

iterator begin() 
{
    return head_node->next;
 }
const_iterator begin()
{
    return head_node->next;
}

iterator end()
{
    return head_node; 
}

const_iterator end()  
{
    return head_node;
}

空构造

void empty_init()
{
    head_node = new list_node;
    head_node->_prev = head_node;
    head_node->_next = head_node;
    
}
list()
{
    empty_init();
}

insert

iterator insert(iterator pos, const T& x)//指定位置插入
{
    list_node* cur = pos.p_node;  //用临时指针指向迭代器位置的节点
    list_node* prev = cur->prev; //用临时指针指向该节点的下一个节点

    list_node* newnode = new list_node(x); //构造新节点

    prev->next = newnode; //改变指向
    newnode->next = cur;

    cur->prev = newnode;
    newnode->prev = prev; 

    return newnode; //返回新节点的迭代器
}

代码思路如下图

erase

iterator erase(iterator pos)//指定位置删除
{
    assert(pos != end());  //不能删哨兵位

    list_node* cur = pos.p_node; //用临时指针指向前中后三个节点
    list_node* prev = cur->prev;
    list_node* next = cur->next;

    prev->next = next; //改变指向
    next->prev = prev;

    delete cur;//删除该节点

    return next; //返回下一个位置的节点的迭代器

}

赋值重载

现在写法

void swap(list<T>& lt)   
{
    std::swap(head_node, lt.head_node);   
}

list<T>& operator=(list<T> lt)  
{
    swap(lt);

    return *this;
}

其他接口

void push_back(const T& x)
{
    insert(end(), x); 
}

void push_front(const T& x)
{
    insert(begin(), x); 
}

void pop_back()
{
    erase(--end()); 
}

void pop_front()
{
    erase(begin()); 
}

本篇内容到此结束啦