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C++ list容器底层存储结构（详解版）

时间：03-07来源：作者：点击数：523

前面在讲 STL list 容器时提到，该容器的底层是用双向链表实现的，甚至一些 STL 版本中（比如 SGI STL），list 容器的底层实现使用的是双向循环链表。

图 1 双向链表（ a) ）和双向循环链表（ b) ）

图 1 中，node 表示链表的头指针。

如图 1 所示，使用链表存储数据，并不会将它们存储到一整块连续的内存空间中。恰恰相反，各元素占用的存储空间（又称为节点）是独立的、分散的，它们之间的线性关系通过指针（图 1 以箭头表示）来维持。

list 容器节点结构

通过图 1 可以看到，双向链表的各个节点中存储的不仅仅是元素的值，还应包含 2 个指针，分别指向前一个元素和后一个元素。

通过查看 list 容器的源码实现，其对节点的定义如下：

template<typename T,...>
struct __List_node{
    //...
    __list_node<T>* prev;
    __list_node<T>* next;
    T myval;
    //...
}

注意，为了方便读者理解，此代码以及本节后续代码，都省略了和本节核心内容不相关的内容，如果读者对此部分感兴趣，可查看 list 容器实现源码。

可以看到，list 容器定义的每个节点中，都包含 *prev、*next 和 myval。其中，prev 指针用于指向前一个节点；next 指针用于指向后一个节点；myval 用于存储当前元素的值。

list容器迭代器的底层实现

和 array、vector 这些容器迭代器的实现方式不同，由于 list 容器的元素并不是连续存储的，所以该容器迭代器中，必须包含一个可以指向 list 容器的指针，并且该指针还可以借助重载的 *、++、--、==、!= 等运算符，实现迭代器正确的递增、递减、取值等操作。

因此，list 容器迭代器的实现代码如下：

template<tyepname T,...>
struct __list_iterator{
    __list_node<T>* node;
    //...
    //重载 == 运算符
    bool operator==(const __list_iterator& x){return node == x.node;}
    //重载 != 运算符
    bool operator!=(const __list_iterator& x){return node != x.node;}
    //重载 * 运算符，返回引用类型
    T* operator *() const {return *(node).myval;}
    //重载前置 ++ 运算符
    __list_iterator<T>& operator ++(){
        node = (*node).next;
        return *this;
    }
    //重载后置 ++ 运算符
    __list_iterator<T>& operator ++(int){
        __list_iterator<T> tmp = *this;
        ++(*this);
        return tmp;
    }
    //重载前置 -- 运算符
    __list_iterator<T>& operator--(){
        node = (*node).prev;
        return *this;
    }
    //重载后置 -- 运算符
    __list_iterator<T> operator--(int){
        __list_iterator<T> tmp = *this;
        --(*this);
        return tmp;
    }
    //...
}

可以看到，迭代器的移动就是通过操作节点的指针实现的。

list容器的底层实现

本节开头提到，不同版本的 STL 标准库中，list 容器的底层实现并不完全一致，但原理基本相同。这里以 SGI STL 中的 list 容器为例，讲解该容器的具体实现过程。

SGI STL 标准库中，list 容器的底层实现为双向循环链表，相比双向链表结构的好处是在构建 list 容器时，只需借助一个指针即可轻松表示 list 容器的首尾元素。

如下是 SGI STL 标准库中对 list 容器的定义：

template <class T,...>
class list
{
    //...
    //指向链表的头节点，并不存放数据
    __list_node<T>* node;
    //...以下还有list 容器的构造函数以及很多操作函数
}

另外，为了更方便的实现 list 模板类提供的函数，该模板类在构建容器时，会刻意在容器链表中添加一个空白节点，并作为 list 链表的首个节点（又称头节点）。

使用双向链表实现的 list 容器，其内部通常包含 2 个指针，并分别指向链表中头部的空白节点和尾部的空白节点（也就是说，其包含 2 个空白节点）。

比如，我们经常构造空的 list 容器，其用到的构造函数如下所示：

list() { empty_initialize(); }
// 用于空链表的建立
void empty_initialize()
{
    node = get_node();//初始化节点
    node->next = node; // 前置节点指向自己
    node->prev = node; // 后置节点指向自己
}

显然，即便是创建空的 list 容器，它也包含有 1 个节点。

除此之外，list 模板类中还提供有带参的构造函数，它们的实现过程大致分为以下 2 步：

调用 empty_initialize() 函数，构造带有头节点的空 list 容器链表；
将各个参数按照次序插入到空的 list 容器链表中。

由此可以总结出，list 容器实际上就是一个带有头节点的双向循环链表。如图 2 所示，此为存有 2 个元素的 list 容器：

图 1 list 容器底层存储示意图

在此基础上，通过借助 node 头节点，就可以实现 list 容器中的所有成员函数，比如：

//begin()成员函数
__list_iterator<T> begin(){return (*node).next;}
//end()成员函数
__list_iterator<T> end(){return node;}
//empty()成员函数
bool empty() const{return (*node).next == node;}
//front()成员函数
T& front() {return *begin();}
//back()成员函数
T& back() {return *(--end();)}
//...