STL Deque 总结

对于 deque 这个东西在初学 STL 的时候好像有看过,可能是因为其特性不足够吸引人吧,尽然被忽略了。前两天在看 Effective STL 的时候才发现这个东东还是蛮有用的,就此总结一下:

首先 deque 读作 deck ,中译双端队列。

即为双端,其内部必然有两个队列,如果将队列看作是 STL 中的 vector,则 deque 可以看成是如下结构:

template<typename T>
class deque {
private:
    vector<T> front_que_;
    vector<T> back_que_;
};

注意,在 STL 的实现中 deque 必不是如上的 vector 的简单封装,这里为了说明 deque 的特性,特用此例。

而 deque 的插入和删除函数如下:

...
template<typename T> void deque<T>::push_back(const T &t) {
    back_que_.push_back(t);
}
template<typename T> void deque<T>::pop_back() {
    if (back_que_.empty())
        front_que_.pop_front(); // code-a
    else
        back_que_.pop_back();
}
template<typename T> void deque<T>::push_front(const T &t) {
    front_que_.push_back(t);
}
template<typename T> void deque<T>::pop_front(const T &t) {
    if (front_que_.empty())
       back_que_.pop_front();   // code-b
    else
       front_que_.pop_back();
}
...

由上可看出对 deque 的两端进行插入删除操作,实际上是对内部存储的两个增长方向相反的 vector 的尾部进行操作,所以除了很少情况的内部调整(如:code-a,code-b 处)外,总是能达到 O(1) 的运算效率。

而 deque 的 size() 和 随机访问操作也可以看作是:

...
template<typename T> deque<T>::size_type
deque<T>::size() const {
    return back_que_.size() + front_que_.size();
}

template<typename T> const T &
deque<T>::operator[] (deque<T>::size_type index) const {
    if (index < front_que_.size())   
       return front_que_[front_que_.size() - index - 1];
    else
       return back_que_[index - front_que_.size()];
}
...

Deque 的 iterator 可以看作上面的 operator[] 的一个封装,这里就不列出了。

需要注意的是,根据 deque 的原理,如果在 deque 的中间插入或者删除了数据,则所有的 iterator,reference 都会失效。
### 关于C++ STL `deque` 的用法与实现 #### 定义与基本特性 `std::deque` 是 C++ 标准模板库(STL)提供的一种双端队列容器。它的名称来源于 **double-ended queue**,表示可以从两端高效地插入和删除元素[^3]。 `deque` 提供了随机访问的能力,类似于数组或向量 (`vector`),但它在头部和尾部的插入/删除操作上更加高效。然而,由于其内部存储结构的原因,在中间位置插入或删除元素可能会比较慢。 --- #### 内部实现机制 `deque` 的典型实现方式是通过一系列固定大小的连续内存块来管理数据。这些内存块通常被称为“缓冲区”,而整个 `deque` 则由一个动态分配的指针数组控制,该数组指向各个缓冲区。这种设计使得: - 头部和尾部可以独立扩展。 - 随机访问的时间复杂度为 O(1),因为可以通过简单的计算定位到目标元素所在的缓冲区及其偏移量。 以下是简化版的伪代码描述 `deque` 的核心逻辑: ```cpp template<typename T> class Deque { private: size_t buffer_size; // 缓冲区大小 T** map; // 动态指针数组,用于记录各缓冲区地址 size_t map_size; // 当前map容量 size_t start_index; // 起始缓冲区索引 size_index end_index; // 结束缓冲区索引 public: void push_back(const T& value); void push_front(const T& value); void pop_back(); void pop_front(); }; ``` 具体来说,当需要增加新的缓冲区时,会重新调整 `map` 数组并分配额外的空间;如果某个缓冲区内存不足,则会在同一缓冲区内移动现有元素以腾出空间[^4]。 --- #### 常见成员函数及用法示例 | 函数名 | 描述 | |----------------|----------------------------------------------------------------------| | `push_back(x)` | 将元素 x 添加至 deque 的末尾 | | `pop_back()` | 删除 deque 的最后一个元素 | | `push_front(x)`| 将元素 x 添加至 deque 的开头 | | `pop_front()` | 删除 deque 的第一个元素 | | `front()` | 返回 deque 的首个元素 | | `back()` | 返回 deque 的最后一位元素 | | `at(n)` | 访问第 n 个元素 | 下面是一个完整的例子展示如何使用 `deque` 进行常见操作: ```cpp #include <iostream> #include <deque> int main() { std::deque<int> d; // 向后添加元素 d.push_back(10); d.push_back(20); // 向前添加元素 d.push_front(5); // 输出所有元素 for(auto it = d.begin(); it != d.end(); ++it){ std::cout << *it << ' '; } // 移除首尾元素 d.pop_front(); d.pop_back(); return 0; } ``` 上述程序将依次打印:`5 10 20` 和最终剩余的 `10`. --- #### 性能特点对比其他容器 相比 `vector` 或者链表(`list`),`deque` 在某些场景下具有独特的优势: - **头尾增删效率高**: 对于频繁执行 head/tail 操作的应用场合非常合适; - **支持随机访问**: 不像单双向链表那样仅限迭代器遍历; - **内存碎片较少**: 使用预定义长度的小块缓存减少了零散分布的可能性[^5]. 不过需要注意的是,尽管提供了高效的两端修改能力,但由于涉及多级间接寻址以及可能引发多次重映射等问题,因此整体性能开销仍高于单纯线性布局的数据结构如 vector[]. ---
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