Go基础学习06-Golang标准库container/list（双向链表）深入讲解；延迟初始化技术；Element；List；Ring

基础介绍

单向链表中的每个节点包含数据和指向下一个节点的指针。其特点是每个节点只知道下一个节点的位置，使得数据只能单向遍历。

示意图如下：

双向链表中的每个节点都包含指向前一个节点和后一个节点的指针。这使得在双向链表中可以从前向后或从后向前遍历。

示意图如下：

结合上面的图就很容易明白单、双链表的定义。其中双向链表可以从前向后，也可以从后向前遍历，操作起来也更加方便。

接下来我们看看官方给的例子：

import (
	"container/list"
	"fmt"
)

func Example() {
	// Create a new list and put some numbers in it.
	l := list.New()
	e4 := l.PushBack(4)
	e1 := l.PushFront(1)
	l.InsertBefore(3, e4)
	l.InsertAfter(2, e1)

	// Iterate through list and print its contents.
	for e := l.Front(); e != nil; e = e.Next() {
		fmt.Println(e.Value)
	}

	// Output:
	// 1
	// 2
	// 3
	// 4
}

首先调用list.New()创建一个双向链表，然后添加元素Element，最后从头遍历链表，打印每个元素的值。

从上可以看出，container/list提供了两个结构 List、Element。

• List
• Element

在Java中实现的双向链表也是这样做的，只是元素一般命名为Node而已。

container/list源码分析

Element

// Element is an element of a linked list.
type Element struct {
	// Next and previous pointers in the doubly-linked list of elements.
	// To simplify the implementation, internally a list l is implemented
	// as a ring, such that &l.root is both the next element of the last
	// list element (l.Back()) and the previous element of the first list
	// element (l.Front()).
	next, prev *Element

	// The list to which this element belongs.
	list *List

	// The value stored with this element.
	Value any
}

Element 一共定义了四个字段，分别是指向前一个节点的 prev，指向下一个节点的 next，存储值的 Value，以及 此元素属于哪个list。

平常自己在定义双向链表 Node 的结构的时候，一般是不会有 list 这个元素的，为什么官方给的有这个元素呢？

• Element 的 list 字段是小写的，那意味着外部使用者是无法获取和定义此字段的，也就是说外部使用者无法通过 Element 来操作 链表。在通篇读过源码后，发现 Element.list 是用于判断插入、移动、删除等操作的元素是否属于此链表，所以我认为增加 list 字段的原因主要是安全性。
  比如防止在多维链表操作的时候，错误的加入了不属于此链表的节点，有了 list 字段后，就可以做判断，防止这类情况产生。
• 对于Element的扩展字段list可以将其理解为与链表的跟节点root绑定的一个值，通过Element.list可以获取这个链表，从而获取root值，用于一些判断，主要在源码中使用，有链表基础的建议查阅源码学习

Element 只有两个方法，即 Next()、Prev()，源代码如下：

// Next returns the next list element or nil.
func (e *Element) Next() *Element {
   if p := e.next; e.list != nil && p != &e.list.root {
   	return p
   }
   return nil
}

// Prev returns the previous list element or nil.
func (e *Element) Prev() *Element {
   if p := e.prev; e.list != nil && p != &e.list.root {
   	return p
   }
   return nil
}

看到这里，官方给的实现方式，并不是简单的 e.prev、e.next，而是多了p != &e.list.root的判断，为什么会有这个判断呢？

因为container/list起始是一个环形链表，那么就需要有一个特殊的节点切断这种环形关系，root就是用来做这个标识的节点。

这样做有什么好处呢？

root 字段是链表的根节点，它并不直接存储数据，而是一个空节点（Element 类型）。这个空节点被用作链表的哨兵节点（Sentinel Node）或者叫做标志节点（Dummy Node）。

这个哨兵节点的作用是为了简化链表的操作。通过将哨兵节点作为链表的根节点，在实际的链表操作中，就无需考虑头节点为空的情况，即空链表和非空链表的操作逻辑变得更加统一和简化。

• 简化逻辑: 哨兵节点的引入避免了对空链表的特殊处理。无论链表是否为空，头节点（哨兵节点之后的第一个节点）始终存在，这样在操作链表时就无需针对空链表做额外的判断。
• 边界条件更清晰: 有了哨兵节点，链表的头部和尾部都有了固定的节点作为标志，使得链表操作时边界条件更加清晰。
• 提高代码的一致性: 通过哨兵节点，链表的操作逻辑更加统一，减少了特殊情况下的代码分支，提高了代码的一致性和可读性。

List

List结构

// List represents a doubly linked list.
// The zero value for List is an empty list ready to use.
type List struct {
	root Element // sentinel list element, only &root, root.prev, and root.next are used
	len  int     // current list length excluding (this) sentinel element
}

// Init initializes or clears list l.
func (l *List) Init() *List {
	l.root.next = &l.root
	l.root.prev = &l.root
	l.len = 0
	return l
}

// New returns an initialized list.
func New() *List { return new(List).Init() }

// Len returns the number of elements of list l.
// The complexity is O(1).
func (l *List) Len() int { return l.len }

因为container/list 是一个环形链表，所以只用提供一个节点就可以了。

注意：刚初始化时，即调用New生成的链表对象，此时的 root.next、root.prev 都是指向root 自己的 。当使用 PushBack或者PushFront方法后，root.next 表示 Head Node，root.prev 表示 Tail Node。注意 List.len 的长度是不包含 root 节点的。方法后，root.next 表示 Head Node，root.prev 表示 Tail Node。注意 List.len 的长度是不包含 root 节点的。

获取头尾节点

// Front returns the first element of list l or nil if the list is empty.
func (l *List) Front() *Element {
	if l.len == 0 {
		return nil
	}
	return l.root.next
}

// Back returns the last element of list l or nil if the list is empty.
func (l *List) Back() *Element {
	if l.len == 0 {
		return nil
	}
	return l.root.prev
}

root.next 表示 Head Node，root.prev 表示 Tail Node。

Go中链表的延迟初始化机制

示例代码：

	// 声明一个链表但未初始化，随后使用链表的延迟初始化技术在插入元素时进行初始化（lazyInit）
	l2 := list.List{}
	fmt.Println(l2)
	l2.PushBack(3)
	fmt.Println(l2)

运行结果：

{{<nil> <nil> <nil> <nil>} 0}
{{0xc0000b62a0 0xc0000b62a0 <nil> <nil>} 1}

使用l2 := list.List{}声明的链表l2，可以正常使用，但仅仅凭借l2这个链表是无法正常使用的，需要结果Go中链表的延迟初始化 机制才可以使用。
查看Go中container/list的源码中的PushBack()方法：

// PushBack inserts a new element e with value v at the back of list l and returns e.
func (l *List) PushBack(v any) *Element {
	l.lazyInit()
	return l.insertValue(v, l.root.prev)
}

// lazyInit lazily initializes a zero List value.
func (l *List) lazyInit() {
	if l.root.next == nil {
		l.Init()
	}
}

// Init initializes or clears list l.
func (l *List) Init() *List {
	l.root.next = &l.root
	l.root.prev = &l.root
	l.len = 0
	return l
}

通过上述源码可以看到lazeInit()这个函数，这个函数就是链表的延迟初始化技术，只有在使用到的时候才对链表进行初始化。

• 延迟初始化：把初始化操作延后，仅在实际需要的时候才进行。延迟初始化的优点在于“延后”，它可以分散初始化操作带来的计算量和存储空间消耗。

例如，如果我们需要集中声明非常多的大容量切片的话，那么那时的 CPU 和内存空间的使用量肯定都会一个激增，并且，只有设法让其中的切片及其底层数组被回收，内存使用量才会有所降低。
如果数组是可以被延迟初始化的，那么计算量和存储空间的压力就可以被分散到实际使用它们的时候。这些数组被实际使用的时间越分散，延迟初始化带来的优势就会越明显。：可以对照Java中的数组的扩容，以及Go中切片的扩容都是延迟化思想的体现。

• 延迟初始化是否有缺点以及Go是如何减小延迟初始化对链表操作的影响

延迟初始化的缺点恰恰也在于“延后”，如果我在调用链表的每个方法的时候，它们都需要先去判断链表是否已经被初始化，那这也会是一个计算量上的浪费。在这些方法被非常频繁地调用的情况下，这种浪费的影响就开始显现了，程序的性能将会降低。
>在Go语言链表设计中只对插入操作如：PushFront方法、PushBack方法、PushBackList方法以及PushFrontList方法在执行时总是会先判断链表的状态，并在必要时进行初始化，一旦初始化后，后续在执行这些方法的时候就无需进行初始化，可以直接使用。

• 此外在Go语言设计中对于删除元素、移动元素，以及一些用于插入元素的方法中，只要判断一下传入的元素中指向所属链表的指针，是否与当前链表的指针相等就可以了。如果不相等，就一定说明传入的元素不是这个链表中的，后续的操作就不用做了。反之，就一定
  说明这个链表已经被初始化了。此时使用到Element元素的list属性，这个操作是内部源码调用的。

// Remove removes e from l if e is an element of list l.
// It returns the element value e.Value.
// The element must not be nil.
func (l *List) Remove(e *Element) any {
	if e.list == l {
		// if e.list == l, l must have been initialized when e was inserted
		// in l or l == nil (e is a zero Element) and l.remove will crash
		l.remove(e)
	}
	return e.Value
}

• 对于Front方法和Back方法，只需对链表的长度进行判断即可，一旦发现链表的长度为0直接返回nil就好了。

container包中的list和ring包中的List和Ring的区别

container/ring包中的Ring类型实现的是一个循环链表，也就是我们俗称的环。其实List在内部就是一个循环链表。它的根元素永远不会持有任何实际的元素值，而该元素的存在，就是为了连接这个循环链表的首尾两端。
所以也可以说，List的零值是一个只包含了根元素，但不包含任何实际元素值的空链表。那么，既然Ring和List在本质上都是循环链表，那它们到底有什么不同呢？最主要的不同有下面几种。

1. Ring类型的数据结构仅由它自身即可代表，而List类型则需要由它以及Element类型联合表示。这是表示方式上的不同，也是结构复杂度上的不同。
2. 一个Ring类型的值严格来讲，只代表了其所属的循环链表中的一个元素，而一个List类型的值则代表了一个完整的链表。这是表示维度上的不同。
3. 在创建并初始化一个Ring值的时候，我们可以指定它包含的元素的数量，但是对于一个List值来说，却不能这样做（也没有必要这样做）。循环链表一旦被创建，其长度是不可变的。这是两个代码包中的New函数在功能上的不同，也是两个类型在初始化值方面的第一个不同。
4. 仅通过var r ring.Ring语句声明的r将会是一个长度为1的循环链表，而List类型的零值则是一个长度为0的链表。别忘了List中的根元素不会持有实际元素值，因此计算长度时不会包含它。这是两个类型在初始化值方面的第二个不同。
5. Ring值的Len方法的算法复杂度是 O(N) 的，而List值的Len方法的算法复杂度则是 O(1)的。这是两者在性能方面最显而易见的差别。其他的不同基本上都是方法方面的了。比如，循环链表也有用于插入、移动或删除元素的方法，不过用起来都显得更抽象一些，等等。
   上述内容参考极客时间Go语言核心36讲

Go语言提供的链表常用API

// Remove removes e from l if e is an element of list l.
// It returns the element value e.Value.
// The element must not be nil.
func (l *List) Remove(e *Element) any {
	if e.list == l {
		// if e.list == l, l must have been initialized when e was inserted
		// in l or l == nil (e is a zero Element) and l.remove will crash
		l.remove(e)
	}
	return e.Value
}

// PushFront inserts a new element e with value v at the front of list l and returns e.
func (l *List) PushFront(v any) *Element {
	l.lazyInit()
	return l.insertValue(v, &l.root)
}

// PushBack inserts a new element e with value v at the back of list l and returns e.
func (l *List) PushBack(v any) *Element {
	l.lazyInit()
	return l.insertValue(v, l.root.prev)
}

// InsertBefore inserts a new element e with value v immediately before mark and returns e.
// If mark is not an element of l, the list is not modified.
// The mark must not be nil.
func (l *List) InsertBefore(v any, mark *Element) *Element {
	if mark.list != l {
		return nil
	}
	// see comment in List.Remove about initialization of l
	return l.insertValue(v, mark.prev)
}

// InsertAfter inserts a new element e with value v immediately after mark and returns e.
// If mark is not an element of l, the list is not modified.
// The mark must not be nil.
func (l *List) InsertAfter(v any, mark *Element) *Element {
	if mark.list != l {
		return nil
	}
	// see comment in List.Remove about initialization of l
	return l.insertValue(v, mark)
}

// MoveToFront moves element e to the front of list l.
// If e is not an element of l, the list is not modified.
// The element must not be nil.
func (l *List) MoveToFront(e *Element) {
	if e.list != l || l.root.next == e {
		return
	}
	// see comment in List.Remove about initialization of l
	l.move(e, &l.root)
}

// MoveToBack moves element e to the back of list l.
// If e is not an element of l, the list is not modified.
// The element must not be nil.
func (l *List) MoveToBack(e *Element) {
	if e.list != l || l.root.prev == e {
		return
	}
	// see comment in List.Remove about initialization of l
	l.move(e, l.root.prev)
}

// MoveBefore moves element e to its new position before mark.
// If e or mark is not an element of l, or e == mark, the list is not modified.
// The element and mark must not be nil.
func (l *List) MoveBefore(e, mark *Element) {
	if e.list != l || e == mark || mark.list != l {
		return
	}
	l.move(e, mark.prev)
}

// MoveAfter moves element e to its new position after mark.
// If e or mark is not an element of l, or e == mark, the list is not modified.
// The element and mark must not be nil.
func (l *List) MoveAfter(e, mark *Element) {
	if e.list != l || e == mark || mark.list != l {
		return
	}
	l.move(e, mark)
}

// PushBackList inserts a copy of another list at the back of list l.
// The lists l and other may be the same. They must not be nil.
func (l *List) PushBackList(other *List) {
	l.lazyInit()
	for i, e := other.Len(), other.Front(); i > 0; i, e = i-1, e.Next() {
		l.insertValue(e.Value, l.root.prev)
	}
}

// PushFrontList inserts a copy of another list at the front of list l.
// The lists l and other may be the same. They must not be nil.
func (l *List) PushFrontList(other *List) {
	l.lazyInit()
	for i, e := other.Len(), other.Back(); i > 0; i, e = i-1, e.Prev() {
		l.insertValue(e.Value, &l.root)
	}
}

贴一个其他博主使用Go中的container/list实现的一个二维链表

有了上面的基础后，我们再来实战下。

需求：实现一个二维链表，要求第一维以价格从低到高排序，第二维以时间从小到大排序。

package main

import (
	"container/list"
	"fmt"
	"sort"
	"strings"
	"time"
)


type Order struct {
	Price       float64
	CreatedTime time.Time
}

// TwoDList 二维链表，要求第一维以价格从低到高排序，第二维以时间从小到大排序。
type TwoDList struct {
	// 索引相同,即表示价格相同,同一索引的链表节点,越靠后时间越大
	// 索引越大,价格越高
	Rows []*list.List
}

func NewTwoDList() *TwoDList {
	return &TwoDList{
		Rows: make([]*list.List, 0),
	}
}

func (tdl *TwoDList) AddNode(price float64, createdTime time.Time) {

	order := &Order{Price: price, CreatedTime: createdTime}
	// 1、
	index := sort.Search(len(tdl.Rows), func(i int) bool {
		return tdl.Rows[i].Front().Value.(*Order).Price >= order.Price
	})
	if index == len(tdl.Rows) {
		// 此价格不存在 tdl 中, 新增
		newList := list.New()
		newList.PushFront(order)

		tdl.Rows = append(tdl.Rows, newList)
		return
	}

	// 判断 index 处的价格是否和 order.Price 相等,
	// 相等, 则往链表添加
	// 不相等, 则需要先将 index 之后的往后移一位
	if order.Price != tdl.Rows[index].Front().Value.(*Order).Price {
		newList := list.New()
		newList.PushFront(order)

		// 插入元素 newList
		tdl.Rows = append(tdl.Rows[:index], append([]*list.List{newList}, tdl.Rows[index:]...)...)
		return
	}

	// 时间从小到大排
	curRow := tdl.Rows[index]
	insertPosition := curRow.Front()

	for insertPosition != nil && order.CreatedTime.After(insertPosition.Value.(*Order).CreatedTime) {
		insertPosition = insertPosition.Next()
	}

	if insertPosition == nil {
		curRow.PushBack(order)
	} else {
		curRow.InsertBefore(order, insertPosition)
	}
}

func (tdl *TwoDList) Print() {
	for i, row := range tdl.Rows {
		fmt.Printf("index: %d\n", i)
		for node := row.Front(); node != nil; node = node.Next() {
			order := node.Value.(*Order)
			fmt.Printf("order price: %f, time: %v \n", order.Price, order.CreatedTime)
		}
		fmt.Println(strings.Repeat("-", 20))
	}
}

func main() {
	// 创建一个新的二维链表
	myTwoDList := NewTwoDList()

	// 向二维链表添加节点
	myTwoDList.AddNode(100, time.Now())
	myTwoDList.AddNode(75, time.Now().Add(time.Hour))
	myTwoDList.AddNode(75, time.Now().Add(time.Hour))
	myTwoDList.AddNode(150, time.Now().Add(2*time.Hour))
	myTwoDList.AddNode(75, time.Now().Add(3*time.Hour))
	myTwoDList.AddNode(200, time.Now().Add(4*time.Hour))

	// 打印二维链表
	myTwoDList.Print()
}

参考链接

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