关于deque容器(双端队列)

本文详细介绍了STL中的deque容器,包括其基本概念、实现原理、构造函数、赋值操作、大小操作以及插入和删除操作等内容。deque是一种双向开口的连续线性空间,允许在头尾两端进行高效地插入和删除。

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deque(双端队列)容器基本概念

  • vector容器是单向开口的连续内存空间,deque则是一种双向开口的连续线性空间。所谓的双向开口,意思是可以在头尾两端分别做元素的插入和删除操作,当然,vector容器也可以在头尾两端插入元素,但是在其头部操作效率奇差,无法被接受。
  • deque没有容量的概念,因为它是动态的以分段连续空间组合而成,随时可以增加一段新的空间并链接起来,换句话说,像vector那样,”旧空间不足而重新配置一块更大空间,然后复制元素,再释放旧空间”这样的事情在deque身上是不会发生的。也因此,deque没有必须要提供所谓的空间保留(reserve)功能.
  • 虽然deque容器也提供了Random Access Iterator,但是它的迭代器并不是普通的指针,其复杂度和
    vector不是一个量级,这当然影响各个运算的层面。因此,除非有必要,我们应该尽可能的使用vector,而不是deque。对deque进行的排序操作,为了最高效率,可将deque先完整的复制到一个vector中,对vector容器进行排序,再复制回deque.

deque容器实现原理

  • vector虽可成长,却只能向尾端成长,而且其成长其实是一个假象,事实上
    • 申请更大空间
    • 原数据复制新空间
    • 释放原空间 三步骤,

如果不是vector每次配置新的空间时都留有余裕,其成长假象所带来的代价是非常昂贵的。

  • deque是由一段一段的定量的连续空间构成。一旦有必要在deque前端或者尾端增加新的空间,便配置一段连续定量的空间,串接在deque的头端或者尾端。deque最大的工作就是维护这些分段连续的内存空间的整体性的假象,并提供随机存取的接口,避开了重新配置空间,复制,释放的轮回,代价就是复杂的迭代器架构。
  • 既然deque是分段连续内存空间,那么就必须有中央控制,维持整体连续的假象,数据结构的设计及迭代器的前进后退操作颇为繁琐。deque代码的实现远比vectorlist都多得多。
  • deque采取一块所谓的map(注意,不是STLmap容器)作为主控,这里所谓的map是一小块连续的内存空间,其中每一个元素(此处成为一个结点)都是一个指针,指向另一段连续性内存空间,称作缓冲区。缓冲区才是deque的存储空间的主体。

deque实现原理

deque构造函数

deque<T> deqT;//默认构造形式
deque(begin, end);//构造函数将[beg, end)区间中的元素拷贝给本身。
deque(n, elem);//构造函数将n个elem拷贝给本身。
deque(const deque &deq);//拷贝构造函数。

deque赋值操作

assign(begin, end);//将[beg, end)区间中的数据拷贝赋值给本身。
assign(n, elem);//将n个elem拷贝赋值给本身。
deque& operator=(const deque &deq); //重载等号操作符 
swap(deq);// 将deq与本身的元素互换

deque大小操作

deque.size();//返回容器中元素的个数
deque.empty();//判断容器是否为空
deque.resize(num);//重新指定容器的长度为num,若容器变长,则以默认值填充新位置。如果容器变短,则末尾超出容器长度的元素被删除。
deque.resize(num, elem); //重新指定容器的长度为num,若容器变长,则以elem值填充新位置,如果容器变短,则末尾超出容器长度的元素被删除。

deque双端插入和删除操作

push_back(elem);//在容器尾部添加一个数据
push_front(elem);//在容器头部插入一个数据
pop_back();//删除容器最后一个数据
pop_front();//删除容器第一个数据

deque双端插入和删除操作

at(idx);//返回索引idx所指的数据,如果idx越界,抛出out_of_range。
operator[];//返回索引idx所指的数据,如果idx越界,不抛出异常,直接出错。
front();//返回第一个数据。
back();//返回最后一个数据

deque插入操作

insert(pos,elem);//在pos位置插入一个elem元素的拷贝,返回新数据的位置。
insert(pos,n,elem);//在pos位置插入n个elem数据,无返回值。
insert(pos,beg,end);//在pos位置插入[beg,end)区间的数据,无返回值。

deque删除操作

clear();//移除容器的所有数据
erase(beg,end);//删除[beg,end)区间的数据,返回下一个数据的位置。
erase(pos);//删除pos位置的数据,返回下一个数据的位置。
### 双端队列 Deque 数据结构 #### 定义 双端队列 (Deque, Double-ended Queue) 是一种可以从两端进行插入和删除操作的线性数据结构[^1]。这种特性使得它可以灵活地处理多种类型的队列需求。 #### 基本操作 双端队列支持如下基本操作: - `push_front(x)`:在前端插入元素 x。 - `pop_front()`:移除并返回前端元素。 - `push_back(x)`:在后端插入元素 x。 - `pop_back()`:移除并返回后端元素。 - `empty()`:判断双端队列是否为空。 - `size()`:获取当前存储元素的数量。 这些操作的时间复杂度通常为 O(1),这得益于内部采用的高效实现机制。 #### 实现方式 双端队列可以通过两种主要的方式实现——基于数组或者链表。每种方法都有各自的优劣之处: - **数组实现**:通过动态分配连续内存来模拟双端队列的行为,适合于已知大小范围的情况;但在频繁增删时可能会引发大量的内存复制开销。 - **链表实现**:利用节点之间的指针链接形成双向循环列表,允许任意位置快速插入/删除而不必担心内存重定位问题,更适合未知规模的数据集。 对于 C++ 中的标准库容器 `std::deque` 而言,则采用了分段管理的技术方案,在保持随机访问特性的前提下优化了性能表现[^2]。 然而得注意的是,由于 `std::deque` 的特殊设计,当涉及到大量遍历操作时,其效率相对较低,因为每次迭代都需要额外检查是否跨越了某个小块区域的边界[^3]。 #### 应用场景 尽管存在上述局限性,双端队列仍然有着广泛的应用领域: - 作为标准模板库(STL)中栈(stack)队列(queue)的基础实现之一; - 处理需要同时维护最新与最旧记录的任务调度算法; - 缓存淘汰策略中的 LRU(Least Recently Used)缓存管理; - 图形界面应用程序的消息传递系统等[^4]。 ```cpp // 创建一个简单的 C++ std::deque 并执行一些基础操作 #include <iostream> #include <deque> int main() { std::deque<int> d; // 插入几个整数到 deque 尾部 for(int i=0; i<5; ++i){ d.push_back(i); } // 输出所有元素 while(!d.empty()){ std::cout << d.front() << ' '; d.pop_front(); } return 0; } ```
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