C++基础知识--std::deque

std::deque（Double-Ended Queue，双端队列），它是 C++ STL（标准模板库）中的一个容器。下面详细介绍它的特性、用法及实现原理。

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1. std::deque 概述

std::deque（双端队列）是一种动态数组，支持在 头部和尾部 高效插入和删除元素（O(1) 时间复杂度）。

• 头文件：#include <deque>
• 底层结构：通常由多个固定大小的数组（块）组成，通过一个中央映射表（map）管理这些块，使其能动态扩展。
• 特点：
  • 随机访问（operator[] 或 at()）效率接近 std::vector（O(1)）。
  • 在头部插入/删除（push_front/pop_front）比 std::vector 更高效（vector 是 O(n)）。
  • 不保证元素在内存中连续存储（但大多数实现仍保持局部连续）。

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2. std::deque 的核心操作

（1）初始化

#include <deque>
std::deque<int> dq1;                  // 空 deque
std::deque<int> dq2(5, 100);          // 5 个 100: {100, 100, 100, 100, 100}
std::deque<int> dq3(dq2.begin(), dq2.end()); // 拷贝 dq2
std::deque<int> dq4 = {1, 2, 3, 4};   // 初始化列表

（2）元素访问

方法	说明	示例
dq[i]	访问第 i 个元素（不检查越界）	int x = dq[2];
dq.at(i)	访问第 i 个元素（越界抛异常）	int y = dq.at(2);
dq.front()	返回第一个元素	int first = dq.front();
dq.back()	返回最后一个元素	int last = dq.back();

（3）修改操作

方法	说明	示例
dq.push_back(x)	尾部插入 x	dq.push_back(10);
dq.push_front(x)	头部插入 x	dq.push_front(20);
dq.pop_back()	删除尾部元素	dq.pop_back();
dq.pop_front()	删除头部元素	dq.pop_front();
dq.insert(pos, x)	在 pos 位置插入 x	dq.insert(dq.begin()+1, 5);
dq.erase(pos)	删除 pos 位置的元素	dq.erase(dq.begin());
dq.clear()	清空所有元素	dq.clear();

（4）容量查询

方法	说明	示例
dq.size()	返回元素个数	size_t n = dq.size();
dq.empty()	判断是否为空	if (dq.empty()) {...}

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3. std::deque 的底层实现

（1）数据结构

std::deque 通常由多个固定大小的 块（chunks） 组成，并通过一个 中央控制表（map） 管理这些块的指针：

Map (索引表):
[0] -> [块1: |x|x|x|x|]
[1] -> [块2: |x|x|x|x|]
[2] -> [块3: |x|x|x|x|]

• 每个块的大小固定（如 512 字节）。
• 插入元素时，如果当前块已满，会分配新块并更新 map。

（2）性能分析

操作	时间复杂度	说明
push_back	O(1)	可能触发新块分配
push_front	O(1)	可能触发新块分配
pop_back	O(1)	可能释放空块
pop_front	O(1)	可能释放空块
operator[]	O(1)	通过 map 计算块偏移
insert	O(n)	中间插入需移动元素

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4. std::deque vs std::vector vs std::list

特性	std::deque	std::vector	std::list
随机访问	✅ O(1)	✅ O(1)	❌ O(n)
头部插入/删除	✅ O(1)	❌ O(n)	✅ O(1)
尾部插入/删除	✅ O(1)	✅ O(1)（均摊）	✅ O(1)
中间插入/删除	❌ O(n)	❌ O(n)	✅ O(1)（已知迭代器）
内存连续性	❌（局部连续）	✅（完全连续）	❌（节点分散）

适用场景：

• 需要高效头尾操作 → std::deque
• 需要快速随机访问 → std::vector
• 需要频繁中间插入 → std::list

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5. 示例代码

#include <iostream>
#include <deque>

int main() {
    std::deque<int> dq = {10, 20, 30};

    dq.push_front(5);   // 头部插入: {5, 10, 20, 30}
    dq.push_back(40);    // 尾部插入: {5, 10, 20, 30, 40}

    std::cout << "Front: " << dq.front() << "\n";  // 5
    std::cout << "Back: " << dq.back() << "\n";    // 40

    dq.pop_front();     // 移除头部: {10, 20, 30, 40}
    dq.pop_back();      // 移除尾部: {10, 20, 30}

    for (int x : dq) {  // 遍历
        std::cout << x << " ";  // 10 20 30
    }
    return 0;
}

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6. 总结

• std::deque 适合需要 频繁头尾操作 的场景（如队列 + 栈结合需求）。
• 虽然支持随机访问，但 中间插入/删除较慢（不如 std::list）。
• 内存占用比 std::vector 稍高（因存储 map 和分块结构）。

如果需要高性能双端操作，std::deque 是最佳选择之一！ 🚀