C++ STL list and slit

Posted by chunyang on March 29, 2019
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简介

STL 中提供了单向链表和双向链表。(好像单向链表并没有进入 C++ 标准)

  • slist
  • list

支持常见的操作

  • push/pop_back: 双向链表
  • push/pop_front
  • front
  • back: 双向链表
  • remove
  • reverse
  • unique
  • merge: 归并两个有序链表
  • sort: 会单独介绍,链表的 sort 是归并。STL 中的 sort 不适合链表
  • splice
  • splice_after: 单链表
    • 这个函数的入参有点奇怪

单链表

单向链表,顾名思义只能往一个方向去访问:每个节点含有指向下个节点的指针以及本节点所存储的元素。

struct _Slist_node_base
{
  _Slist_node_base* _M_next;
};

template <class _Tp>
struct _Slist_node : public _Slist_node_base
{
  _Tp _M_data;
};

单向链表只支持 operator++,其实现就是移动相关的指针。在单向链表结构中存储的结构 _M_head 实际上 不是真正的头节点。它的下一个节点是头结点,它属于 before_first。单链表的插入都是在表头:

  • push_front/pop_front

所以如果我们需要构造一个链表的话,有点类似于栈一样,需要方向插入节点。

单向链表结构在面试中会经常遇到,例如单向列表的反转,单向链表的去重和合并。

链表反转

inline _Slist_node_base* __slist_reverse(_Slist_node_base* __node)
{
  _Slist_node_base* __result = __node;
  __node = __node->_M_next;
  __result->_M_next = 0;
  while(__node) {
    _Slist_node_base* __next = __node->_M_next;
    __node->_M_next = __result;
    __result = __node;
    __node = __next;
  }
  return __result;
}

链表删除指定元素

这里 _M_head 并不是真正的头节点,这个类似于 dummy 节点的头结点会简化程序。因为我们不需要判断头 节点被删除的场景。

template <class _Tp, class _Alloc>
void slist<_Tp,_Alloc>::remove(const _Tp& __val)
{
  _Node_base* __cur = &this->_M_head;
  while (__cur && __cur->_M_next) {
    if (((_Node*) __cur->_M_next)->_M_data == __val)
      this->_M_erase_after(__cur);
    else
      __cur = __cur->_M_next;
  }
}

链表合并

链表的合并,假定两个链表都是各自有序的。

 template <class _Tp, class _Alloc>
 void slist<_Tp,_Alloc>::merge(slist<_Tp,_Alloc>& __x)
 {
   _Node_base* __n1 = &this->_M_head;
   while (__n1->_M_next && __x._M_head._M_next) {
     if (((_Node*) __x._M_head._M_next)->_M_data <
         ((_Node*)       __n1->_M_next)->_M_data)
       __slist_splice_after(__n1, &__x._M_head, __x._M_head._M_next);
     __n1 = __n1->_M_next;
   }
   if (__x._M_head._M_next) {
     __n1->_M_next = __x._M_head._M_next;
     __x._M_head._M_next = 0;
   }
 }

__slist_splice_after 函数作用是什么呢?

其作用是将 _first, _before_last 之间的元素插入到 __pos 位置, 然后元素拼接起来

__pos->__first->__before_last->__pos.next

这个函数的入参有一点奇怪,不是正常的节点,而节点的上一个节点。STL 中所有区间的描述都是左闭右开的 [first, last),这里的 __before_first 应该是某个 slist_M_head,因为程序把它的下游指向 了 __last 节点

inline void __slist_splice_after(_Slist_node_base* __pos,
                                 _Slist_node_base* __before_first,
                                 _Slist_node_base* __before_last)
{
  if (__pos != __before_first && __pos != __before_last) {
    _Slist_node_base* __first = __before_first->_M_next;
    _Slist_node_base* __after = __pos->_M_next;
    __before_first->_M_next = __before_last->_M_next;
    __pos->_M_next = __first;
    __before_last->_M_next = __after;
  }
}

inline void
__slist_splice_after(_Slist_node_base* __pos, _Slist_node_base* __head)
{
  _Slist_node_base* __before_last = __slist_previous(__head, 0);
  if (__before_last != __head) {
    _Slist_node_base* __after = __pos->_M_next;
    __pos->_M_next = __head->_M_next;
    __head->_M_next = 0;
    __before_last->_M_next = __after;
  }
}

单链表排序

  • 构建 slist __counter[64] 个链表
  • 合并上面生成的链表

__counter[0] 存储一个节点,__counter[1] 存储两个节点, __counter[n] 存储 2^n 次方个节点。 每次都从原始的节点列表中合并掉 2^n 个节点。

具体执行流程:

  • 每次通过 __slist_splice_after 往 carry 中增加一个节点
  • 每次往 __counter[0] 中插入节点,每次增加一个 level 后,前面的 level 都会被清空

例如当前状态 __counter[2] 中存储了 4 个节点,__counter[0]__counter[1] 都是空。这个时候会 先去填满 __counter[0],然后填满 __counter[1],清空 __counter[0],然后填满 __counter[0],这个 时候再到达一个节点,会不断往上合并,__counter 状态是 [1,2,4,0,0...0]。然后会不断合并,最终生成 [0,0,0,8,0...0]

 template <class _Tp, class _Alloc>
 void slist<_Tp,_Alloc>::sort()
 {
   if (this->_M_head._M_next && this->_M_head._M_next->_M_next) {
     slist __carry;
     slist __counter[64];
     int __fill = 0;
     while (!empty()) {
       __slist_splice_after(&__carry._M_head,
                            &this->_M_head, this->_M_head._M_next);
       int __i = 0;
       while (__i < __fill && !__counter[__i].empty()) {
         __counter[__i].merge(__carry);
         __carry.swap(__counter[__i]);
         ++__i;
       }
       __carry.swap(__counter[__i]);
       if (__i == __fill)
         ++__fill;
     }

     for (int __i = 1; __i < __fill; ++__i)
       __counter[__i].merge(__counter[__i-1]);
     this->swap(__counter[__fill-1]);
   }
 }

双向链表

双向链表相对于单向链表,增加了前向的节点,支持的移动方式会增加一种,向前向后都可以。

struct _List_node_base {
  _List_node_base* _M_next;
  _List_node_base* _M_prev;
};

template <class _Tp>
struct _List_node : public _List_node_base {
  _Tp _M_data;
};

双向链表也有一个 dummy 节点,这个 dummy 节点再最开始时指向自己,所以 empty() 的实现如下:

bool empty() const { return _M_node->_M_next == _M_node; }

<<STL 源码剖析>>中说,这个会节约一个 Node 的存储空间

splice

  • void splice(iterator __position, list& __x)
  • void splice(iterator __position, list&, iterator __i)
  • void splice(iterator __position, list&, iterator __first, iterator __last)

主要依赖 transfer 实现,transfer 功能是要将 __position 位置的元素替换为[__first, __last]。 这个过程中维护 __position__first__last 前序和后序之间的关系。

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;
  }
}

总结

STL 中很多通用的算法是不能直接用在链表上。一般这些算法会要求 random_access_iterator。STL 的链表 实现中的排序、反转对于面试中有很多借鉴意义。

本文完


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