SGI-STL序列式容器之list篇

从前文我们知道vector的迭代器是元素类型指针而list的迭代器比较高级——是一个自己手搓的自定义类型。list的迭代器属于双向迭代器Bidirectional Iterator。那么这里需要插叙一下有关迭代器类型的知识。在SGI版本的STL实现中迭代器被分为了五种类别。例如输入迭代器在读写方面仅支持读操作在移动方面仅支持自增输出迭代器在读写方面仅支持写操作在移动方面仅支持自增。后续还有前向迭代器、双向迭代器和随机访问迭代器。按照以上顺序从左到右所支持的操作逐渐进行扩展。例如前向迭代器综合了输入、输出迭代器类型的功能支持读和写双向迭代器在前向迭代器的基础上在移动方面还支持自减操作随机访问迭代器则在双向迭代器的功能基础上在移动方面还支持跳转移动操作。综合来看这五类迭代器呈现出“继承”结构如下图所示图片借鉴了侯捷所著的《STL源码剖析》一书。1、链表节点类型设计这一节主要介绍list容器的存储节点类型是如何设计的。在SGI版本的STL中将单位节点类型声明为__list_nodeT。在该类型中包含两个无类型指针prev和next以及一个T类型对象data。其中prev和next的声明可以替换为使用__list_nodeT*。其原因是为了兼容早期编译器并减少模板类型依赖所以将节点之间的链接指针定义为void*然后再手动强转成其他类型。data用于存储实际的数据prev和next分别指向上一个节点和下一个节点。template class T struct __list_node{ typedef void* void_pointer; void_pointer prev; void_pointer next; T data; }; //更合理的版本如下 template class T struct __list_node{ __list_node* prev; __list_node* next; T data; };2、迭代器类型设计list容器的迭代器类型为__list_iteratorT, Ref, Ptr。每一个迭代器内部都会存储一个指向__list_nodeT的指针node。该迭代器结构体定义有三种构造函数形式第一种默认构造什么形参和函数体也没有第二种有参构造函数接收形参link_type即指向__list_nodeT的指针。该构造函数将传入参数的值传递给node第三种有参构造函数接收形参为iterator类型的const引用。该构造函数将传入的迭代器的node传递给自身node。该结构体内部定义的别名link_type、iterator以及几个构造函数如下所示。template class T, class Ref, class Ptr struct __list_iterator{ typedef __list_nodeT* link_type; link_type node; typedef __list_iteratorT, T, T* iterator; __list_iterator() {} __list_iterator(link_type x) : node(x) {} __list_iterator(const iterator x) : node(x.node) {} ... };在该迭代器内部不仅有iterator的重命名还有self的重命名。其表示与本对象模板类型完全相同的类型。还有许多操作运算符重载函数“”和“!”运算符重载函数用于判断两node指针是否指向相同位置且接收参数是const self引用类型即必须保证与对象完全相同类型“*”运算符重载函数类似于指针的解引用操作返回node指向的节点内部成员data的引用“-”运算符重载函数返回指向成员data的地址即可以通过该值对data内部成员进一步访问若有的话还有前缀和后缀的自增与自减运算符重载函数各函数体内对node进行后移或前移。前缀返回该对象的引用后缀则返回该对象的一个拷贝。typedef Ref reference; typedef Ptr pointer; typedef __list_iteratorT, Ref, Ptr self; bool operator(const self x) const { return node x.node; } bool operator!(const self x) const { return node ! x.node; } reference operator*() const { return (*node).data; } pointer operator-() const { return (operator*()); } 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容器相关设计对链表存储节点类型和迭代器类型有了一定的了解后下面开始对list容器的部分实现进行讲述。在内存申请和回收方面代码中声明了一个空间配置器别名list_node_allocator和一个存储节点类型别名list_node。且在模板参数中传入list_node表示以list_node结构体类型所占内存大小为单位进行内存空间处理。代码中有一个get_node()函数主要作用是申请内存。进入get_node函数后会调用list_node_allocator的allocate函数进行申请内存并返回返回类型为link_type。而在每次回收内存时会调用put_node(link_type)函数。该函数接收link_type参数指向list_node的指针后调用list_node_allocator的deallocate函数进行内存回收。以上两个函数都会调用空间配置器内部方法。若单次内存空间大于128字节该函数调用的是一级空间配置器的相关函数否则调用二级空间配置器的相关函数。template class T class Alloc alloc class list{ typedef __list_nodeT list_node; typedef simple_alloclist_node, Alloc list_node_allocator; link_type get_node() { return list_node_allocator::allocate(); } void put_node(link_type p) { list_node_allocator::deallocate(p); } ... } //alloc.h static T* allocate(void){ return (T*)Alloc::allocate(sizeof(T)); } static void deallocate(T* p){ Alloc::deallocate(p, sizeof(T)); }在容器初始化方面该容器实现了一个无参构造函数且该函数内部通过间接调用函数empty_initialize()进行实现。在empty_initialize函数中需要调用get_node方法申请一片存储list_node的内存空间并返回指向该片内存的指针。因为初始并无元素因此将prev和next都指向自己。由此可见该list是一个双向循环链表。link_type node; list() { empty_initialize(); } void empty_initialize(){ node get_node(); node-next node; node-prev node; }再来看看首插push_front(const T)和尾插push_back(const T)两个函数是如何实现的。这两个函数内部均调用insert(iterator, const T)函数。insert函数先调用create_node(const T)函数得到指向已初始化的link_node的指针tmp然后对tmp进行经典的双向链表插入操作后返回tmp值并通过隐式构造函数__list_iterator(iterator)创建一个新的迭代器返回给用户表示指向当前插入区域的位置。而在create_node(const T)函数中依然是通过咱们上述的get_node函数进行内存空间的申请然后调用construct.h文件定义的一个construct(T1*, const T2)函数在指定的内存空间在本函数中及get_node()返回的空间首地址中创建对应的T类型对象。此时我们申请的内存空间立即有了“居民”——list_node类型对象。最后返回该片内存地址。typedef __list_iteratorT, T, T* iterator; iterator begin() { return (link_type)((*node).next); } iterator end() { return node; } void push_back(const T x) { insert(end(), x); } void push_front(const T x) { insert(begin(), x); } 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))-next tmp; position.node-prev tmp; return tmp; } link_type create_node(const T x){ link_type p get_node(); construct(p-data, x); return p; } //construct.h template class T1, class T2 inline void construct(T1* p, const T2 value){ new (p) T1 (value); }对于单独节点的销毁操作则可调用destroy_node(link_type)函数。该函数通过调用construct.h文件中的destroy(T*)函数进行对象的析构然后调用put_node(link_type)对内存回收。void destroy_node(link_type p){ destroy(p-data); put_node(p); } //construct.h template class T inline void destroy(T* pointer){ pointer-~T(); }在list容器中也存在一个swap(listT, Alloc)函数作用是交换两个链表。因为在该list容器中仅需要通过一个成员对象node就可访问所有的数据且所有需要访问数据的函数都需要通过node进行所以仅需交换两list容器的node节点即可完成链表的交换。在list容器当中也包含一个清除所有节点的函数clear()。该函数从头节点开始node-next一个接一个地删除。注意在本版本的实现中每次抽取一个待删节点的时候不需要完整地维护整个链表只需要保证链表上的节点是可以找到的。我想可能的原因是clear()函数是要清空所有的元素因此没有必要维护要删除的链表。除此之外还有一个unique()函数。该函数的功能是删除连续重复的元素具体实现方法也是比较常规的依次遍历思路这里就不多说了。下面将介绍一个对于list容器比较重要的函数transfer(iterator position, iterator first, iterator last)。该函数的功能是将first到last区间内的元素缝接到position位置包括first管理的节点但不包括last管理的节点。具体的步骤如下1、将迭代器last管理节点的prev节点的next指向迭代器position管理节点2、将迭代器first管理节点的prev节点的next指向last管理节点3、将迭代器position管理节点的prev节点的next指向first管理节点4、使用临时link_type类型tmp记录position管理节点的prev节点5、将position管理节点的prev指向last管理节点的prev节点6、将last管理节点的prev指向first管理节点的prev节点7、将first管理节点的prev指向tmp。引入一个临时变量tmp的原因是避免断链——个人尝试过不引入临时变量进行指向转化发现无法完成。其原因是每个prev重定向操作都依赖其他待操作节点地prev进行访问形成了一个闭环。该transfer函数在后续的各种操作函数均有使用。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; } }下面讲述splice相关方法。该函数主要功能是将某一连续的元素串或单个元素缝接到目标位置。其中包含三种重载函数第一种splice(iterator position, list x)该函数用于将另一list容器的元素缝接到迭代器所指位置position通过间接调用transfer(iterator, iterator, iterator)函数实现。第二种splice(iterator, list, iterator)该函数用于将某一list的某一位置的元素缝接到本list的某一位置。若待插元素已经在目标位置则可以直接返回无需下一步操作否则依然间接调用transfer函数。第三种splice(iterator, list, iterator, iterator)该函数用于将某一区间的所有元素缝接到目标位置。主要还是通过调用transfer函数实现。值得注意的是三个函数的重载对于条件“是否不同链表”有不同的适应性。例如第一个函数不允许同一链表第二个函数允许同一链表第三个函数对于同一链表关于position位置包含在区间内的情况未定义。void splice(iterator position, list x){ if(!x.empty()) transfer(position, x.begin(), x.end()); } void splice(iterator position, list, iterator i){ iterator j i; j; if(position i || position j) return; transfer(position, i, j); } void splice(iterator position, list, iterator first, iterator last){ if(first ! last) transfer(position, first, last); }list容器提供了merge(list)函数其作用是将两个递增有序的链表进行合并实现思路可参考归并排序。除了提供合并操作外还提供了reverse()函数用于将链表元素反转。其主要通过transfer函数不断将后续节点插入到begin()位置从而实现链表反转。template class T, class Alloc void listT, Alloc::merge(listT, Alloc x){ iterator first1 begin(); iterator last1 end(); iterator first2 x.begin(); iterator last2 x.end(); //两list都递增有序 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); } template class T, class Alloc void listT, Alloc::reverse(){ if(node-next node || link_type(node-next)-next node) return; iterator first begin(); first; while(first ! end()){ iterator old first; first; transfer(begin(), old, first); } }list容器还提供了一个sort()函数用于将无序的链表变成有序。该函数创建一个临时链表carry和存储链表的数组counterlistT, Alloc[]用于记录中间结果。carry主要作用是存储原链表的首元素或counter记录的有序链表counter的作用是存储算法过程中通过合并或swap得到的有序链表组并且这些链表组的并集等于原链表且交集为空。具体算法流程如下1、若原链表不为空则从该链表读取首元素给carry若原链表为空则跳4。2、判断此时是否第一次进入循环若是则链表carry调用swap(counter[0])转存在counter[0]中并执行fill跳转到2若不是则继续往下。3、判断counter[i]是否为空若不为空对链表counter[i]调用merge(carry)将carry链表合并到counter[i]上从而获得一个有序的子链表。然后对carry调用swap(counter[i])将该有序子链表交换给carry存储跳转到3若counter[i]为空则对carry执行swap(counter[i])将有序子链表存储在counter[fill]跳转1。4、遍历counter数组每两个子链表依次进行merge操作从而得到最终有序的链表。最后原链表this调用swap(counter[fill-1])获取最终有序的链表。注意counter从低索引到高索引存储的链表元素的数量呈现2^i的趋势。template class T, class Alloc void listT, Alloc::sort(){ if(node-next node || link_type(node-next)-next node) return; listT, Alloc carry; listT, 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 i1; ifill; i) counter[i].merge(counter[i-1]); swap(counter[fill - 1]); }以上就是关于SGI版本STL中list容器的实现原理。其中主要介绍了链表节点的结构定义、list迭代器的定义以及list容器的各比较重要的函数实现。