1、list概述

list 是一种双向链表。list 的设计更加复杂一点，好处是每次插入或删除一个元素，就配置或释放一个元素，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删除，list 永远是常数空间。注意：list 源码里其实分了两个部分，一个部分是 list 结构，另一部分是 list 节点的结构。也就是说指针变量和数据变量分开定义，目的是是为了给迭代器做铺垫，因为迭代器遍历的时候不需要数据成员的，只需要前后指针就可以遍历该 list。list 的节点结构如下图所示：

2、list 数据结构-节点

__list_node 用来实现节点，数据结构中就储存前后指针和属性。

template struct __list_node {
// 前后指针
typedef void* void_pointer;
void_pointer next;
void_pointer prev;
// 属性
T data;
};

基本结构如下图所示：

基本类型

template struct __list_iterator {
typedef __list_iterator iterator; // 迭代器
typedef __list_iterator const_iterator;
typedef __list_iterator self;

// 迭代器是bidirectional\_iterator\_tag类型

typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;
typedef T value_type;
typedef Ptr pointer;
typedef Ref reference;
typedef size_t size_type;
typedef ptrdiff_t difference_type;
…
};

构造函数

template struct __list_iterator {
…
// 定义节点指针
typedef __list_node* link_type;
link_type node;
// 构造函数
__list_iterator(link_type x) : node(x) {}
__list_iterator() {}
__list_iterator(const iterator& x) : node(x.node) {}
…
};

重载

template struct __list_iterator {
…
// 重载
bool operator==(const self& x) const { return node == x.node; }
bool operator!=(const self& x) const { return node != x.node; }
…

// ++和--是直接操作的指针指向next还是prev, 因为list是一个双向链表

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;
}
};

3、list 结构

list 自己定义了嵌套类型满足 traits 编程， list 迭代器是 bidirectional_iterator_tag 类型，并不是一个普通指针。

list 在定义 node 节点时，定义的不是一个指针:

template
class list {
protected:
typedef void* void_pointer;
typedef __list_node list_node; // 节点就是前面分析过的
typedef simple_alloc list_node_allocator; // 空间配置器
public:
// 定义嵌套类型
typedef T 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* link_type;
typedef size_t size_type;
typedef ptrdiff_t difference_type;

protected:
// 定义一个节点, 这里节点并不是一个指针.
link_type node;

public:
// 定义迭代器
typedef __list_iterator iterator;
typedef __list_iterator const_iterator;
…
};

4、list 构造和析构函数实现

每个构造函数都会创造一个空的 node 节点，为了保证我们在执行任何操作都不会修改迭代器。list 默认使用 alloc 作为空间配置器，并根据这个另外定义了一个 list_node_allocator，目的是更加方便以节点大小来配置单元。

template
class list {
protected:
typedef void* void_pointer;
typedef __list_node list_node; // 节点
typedef simple_alloc list_node_allocator; // 空间配置器

其中，list_node_allocator(n) 表示配置 n 个节点空间。以下四个函数，分别用来配置，释放，构造，销毁一个节点。

class list {
protected:
// 配置一个节点并返回
link_type get_node() { return list_node_allocator::allocate(); }
// 释放一个节点
void put_node(link_type p) { list_node_allocator::deallocate(p); }
// 产生(配置并构造)一个节点带有元素初始值
link_type create_node(const T& x) {
link_type p = get_node();
__STL_TRY {
construct(&p->data, x);
}
__STL_UNWIND(put_node(p));
return p;
}
//销毁(析构并释放)一个节点
void destroy_node(link_type p) {
destroy(&p->data);
put_node(p);
}
// 对节点初始化
void empty_initialize() {
node = get_node();
node->next = node;
node->prev = node;
}
};

5、基本属性获取

template
class list {
…
public:
iterator begin() { return (link_type)((*node).next); } // 返回指向头的指针
const_iterator begin() const { return (link_type)((*node).next); }
iterator end() { return node; } // 返回最后一个元素的后一个的地址
const_iterator end() const { return node; }

// 这里是为旋转做准备, rbegin返回最后一个地址, rend返回第一个地址. 我们放在配接器里面分析  
reverse\_iterator rbegin() { 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());  
} 

// 判断是否为空链表, 这是判断只有一个空node来表示链表为空.  
bool empty() const { return node->next == node; }  
// 因为这个链表, 地址并不连续, 所以要自己迭代计算链表的长度.  
size\_type size() const {  
  size\_type result = 0;  
  distance(begin(), end(), result);  
  return result;  
}  
size\_type max\_size() const { return size\_type(-1); }  
// 返回第一个元素的值  
reference front() { return \*begin(); }  
const\_reference front() const { return \*begin(); }  
// 返回最后一个元素的值  
reference back() { return \*(--end()); }  
const\_reference back() const { return \*(--end()); }

// 交换  
void swap(list<T, Alloc>& x) { \_\_STD::swap(node, x.node); }  
...

};
template
inline void swap(list& x, list& y) {
x.swap(y);
}

6、list 的头插和尾插

因为 list 是一个循环的双链表，所以 push 和 pop 就必须实现是在头插入，删除还是在尾插入和删除。在 list 中，push 操作都调用 insert 函数， pop 操作都调用 erase 函数。

template
class list {
…
// 直接在头部或尾部插入
void push_front(const T& x) { insert(begin(), x); }
void push_back(const T& x) { insert(end(), x); }
// 直接在头部或尾部删除
void pop_front() { erase(begin()); }
void pop_back() {
iterator tmp = end();
erase(--tmp);
}
…
};

上面的两个插入函数内部调用的 insert 函数。

class list {
…
public:
// 最基本的insert操作, 之插入一个元素
iterator insert(iterator position, const T& x) {
// 将元素插入指定位置的前一个地址
link_type tmp = create_node(x);
tmp->next = position.node;
tmp->prev = position.node->prev;
(link_type(position.node->prev))->next = tmp;
position.node->prev = tmp;
return tmp;
}

注意：

节点实际是以 node 空节点开始的。
插入操作是将元素插入到指定位置的前一个地址进行插入的。

7、删除操作

删除元素的操作大都是由 erase 函数来实现的，其他的所有函数都是直接或间接调用 erase。

list 是链表，所以链表怎么实现删除元素， list 就在怎么操作：很简单，先保留前驱和后继节点，再调整指针位置即可。

由于它是双向环状链表，只要把边界条件处理好，那么在头部或者尾部插入元素操作几乎是一样的，同样的道理，在头部或者尾部删除元素也是一样的。

template
class list {
…
iterator erase(iterator first, iterator last);
void clear();
// 参数是一个迭代器修改该元素的前后指针指向再单独释放节点就行了
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);
}
…
};
…
}

list 内部提供一种所谓的迁移操作(transfer)：将某连续范围的元素迁移到某个特定位置之前，技术上实现其实不难，就是节点之间的指针移动，只要明白了这个函数的原理，后面的 splice，sort，merge 函数也就一一知晓了，我们来看一下 transfer 的源码：

template
class list {
…
protected:
void transfer(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;
}
}
…
};