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C++ STL之deque的使用和模拟实现

news 2025/9/16 17:57:39

deque

核心本质与定位

与stack和queue的关系:

deque的使用

deque的底层实现

deque的原理介绍

deque的缺陷

总结:

deque

deque文档 : deque

翻译:

双端队列

deque（通常发音类似“deck”）是“double-ended queue”（双端队列）的非常规缩写。双端队列是动态大小的序列容器，可在两端（前端或后端）进行扩展或收缩操作。
具体的库可能会以不同方式实现 deque，一般是某种形式的动态数组。但无论如何，它们允许通过随机访问迭代器直接访问单个元素，并且容器会根据需要自动扩展或收缩来管理存储。
因此，它们提供的功能与 vector 类似，但在序列的开头也能高效地插入和删除元素，而不仅仅是在末尾。但与 vector 不同的是，deque 不保证所有元素都存储在连续的内存位置：通过偏移一个元素的指针来访问 deque 中的其他元素会导致未定义行为。
vector 和 deque 提供的接口非常相似，可用于类似的场景，但在内部工作方式上有很大不同：
vector 使用需要偶尔重新分配的单个数组来实现增长，而 deque 的元素可以分散在不同的存储块中，容器在内部保存必要的信息，以常数时间直接访问任何元素，并通过迭代器提供统一的顺序接口。因此，deque 在内部比 vector 更复杂，但这使得它在某些情况下（尤其是超长序列，重新分配开销更大时）能更高效地增长。
对于需要频繁在开头或末尾之外的位置插入或删除元素的操作，deque 的表现比 list 和 forward_list 更差，且迭代器和引用的一致性也更弱。

在 C++ STL 中，deque（双端队列，Double-Ended Queue）是核心的序列式容器之一，设计目标是平衡“两端高效操作”与“随机访问”能力，填补了 vector（尾部高效、头部低效）和 list（两端高效、无随机访问）的功能空白。虽然它名字里有队列，但是并不是队列，并不要求先进先出。

核心本质与定位

基础容器而非适配器：deque 是直接管理内存和元素的底层容器，与 vector、list 同级，不属于 stack/queue 这类“封装底层容器的适配器”，能独立提供完整的元素操作接口。
功能核心：以 O(1) 时间复杂度实现头部和尾部的插入/删除操作，同时支持 O(1) 随机访问（像 vector 一样用 [] 下标访问元素），是兼顾“两端灵活性”和“访问效率”的中间选择。

与stack和queue的关系:

在上篇文章中，在介绍stack和queue时就提到了deque，deque 是 stack 和 queue 的“默认底层实现”，在 C++ 中，stack、queue 与 deque 的核心关系是 “容器适配器”与“默认底层基础容器”的依赖关系，具体可拆解为两点：

1. deque 是 stack 和 queue 的“默认底层实现”
stack（栈）和 queue（队列）本身不存储元素，必须依赖一个基础容器来管理数据，而 deque 是 STL 为它们预设的默认底层容器。

当你直接定义 stack<int> s; 或 queue<int> q; 时，底层实际是用 deque 来存储元素的，相当于 stack<int, deque<int>> s; 和 queue<int, deque<int>> q; 。
选择 deque 作为默认的原因：deque 支持 O(1) 时间复杂度的两端操作（头部/尾部插入/删除），刚好匹配 stack（仅需栈顶，即 deque 尾部操作）和 queue（需队尾插入、队首删除）的功能需求，且比 vector（头部操作低效）、list（无随机访问）更适配。

2. 三者本质不同：适配器 vs 基础容器

stack/queue：是“容器适配器”，作用是“封装底层容器的接口”，强制特定的数据访问规则（stack 先进后出、queue 先进先出），自身不具备元素存储和内存管理能力。
deque：是“基础序列容器”，能独立管理元素存储和内存，提供完整的元素操作接口（如随机访问、两端/中间操作），是 stack/queue 实现功能的“底层支撑”。

下面我们就来详细学习deque的主要内容:

deque的使用

deque 、 vector  和 list 均作为 STL 基础序列容器，在成员函数上的共同点主要有以下几类：

元素增删（基础）：都支持 push_back （尾部添加元素）和 pop_back （尾部删除元素）操作；也都提供 clear  函数用于清空容器内所有元素。
状态查询：均包含 empty  函数判断容器是否为空， size  函数获取容器内元素的个数。
迭代器遍历：都提供 begin 、 end  用于正向遍历元素， rbegin 、 rend  用于反向遍历元素。
元素访问（部分）：都支持 front  获取容器头部元素的引用， back  获取容器尾部元素的引用。
赋值与交换：都实现了 operator=  用于容器间的赋值操作，也都有 swap  函数用于交换两个同类型容器的元素。

#include<deque>
#include<iostream>
using namespace std;void test_deque()
{deque<int> dp;//尾插dp.push_back(1);dp.push_back(2);dp.push_back(3);dp.push_back(4);//头插dp.push_front(10);dp.push_front(20);dp.push_front(30);dp.push_front(40);//尾删dp.pop_back();//头删dp.pop_front();//随机访问for (size_t i = 0; i < dp.size(); i++){cout << dp[i] <<" ";}cout << endl;
}
int main()
{test_deque();return 0;
}

可以看到它既支持头插尾插，又支持头删尾删，还支持随机访问，它融合了vector和list的优点，从使用的角度，避开了它们各自的缺点：

list的缺点：不支持随机访问
vector的缺点：头部和中间插入删除效率低

deque的底层实现

deque 、 vector 和 list 均作为 STL 基础序列容器，它们之间究竟有什么区别呢 ? 首先我们来看一下vector和list的优缺点：

vector

核心特点:

基于连续内存空间存储，支持随机访问（通过下标 []  或 at()  直接定位元素）。
元素在内存中紧密排列，尾部增删效率高，中间/头部增删效率低。
容量（capacity）会自动扩容（通常扩容为原容量的1.5-2倍），扩容时需拷贝旧元素到新内存，可能产生性能开销。

优点:

1. 随机访问速度快（时间复杂度 O(1)），适合需要频繁通过下标读取元素的场景（如数组遍历、索引访问）。
2. 内存缓存利用率高（连续内存易被CPU缓存命中），遍历元素时速度比 list  快。
3. 尾部 push_back / pop_back  操作高效（O(1)，无内存移动）。
4. 接口简洁，支持 reserve()  预分配容量，避免频繁扩容，优化性能。

缺点:

1. 中间或头部插入/删除元素效率低（O(n)）：需移动插入点后所有元素，内存移动开销大。
2. 扩容时可能浪费内存（扩容后的容量大于实际元素个数），且拷贝旧元素会产生额外性能消耗。
3. 不适合存储大量大型对象（扩容时拷贝大型对象开销高），也不适合频繁修改中间元素的场景。

list

核心特点:

基于非连续内存空间存储，元素通过前后指针连接，不支持随机访问。
元素在内存中分散存储，任意位置增删效率高，访问元素需从头/尾遍历。
无容量概念，元素增删时直接分配/释放单个节点内存，无需扩容和拷贝。

优点:

1. 任意位置（头部、中间、尾部）插入/删除元素效率高（时间复杂度 O(1)）：只需修改对应节点的指针，无需移动其他元素。
2. 无扩容开销，内存分配灵活，不会浪费内存（每个元素按需分配节点）。
3. 适合频繁在中间位置增删元素的场景（如链表结构、频繁插入的队列）。

缺点:

1. 不支持随机访问（访问指定元素需遍历链表，时间复杂度 O(n)），无法通过下标快速定位元素。
2. 内存缓存利用率低（非连续内存难被CPU缓存命中），遍历元素时速度比 vector  慢。
3. 每个元素需额外存储前后指针，内存开销比 vector  大（存储相同数量元素时， list  占用更多内存）。
4. 不支持 reserve()  预分配内存，也无法通过下标访问，功能比 vector  受限。

结合上面deque的使用，我们可以看出deque既支持头插尾插，又支持头删尾删，还支持随机访问，它融合了vector和list的优点，从使用的角度，避开了它们各自的缺点，如果deque真的像上面说的那么优秀，那么vector和list可能就被淘汰了。

其实，deque还是有缺陷的，它的底层怎么实现的呢？

deque的原理介绍

deque(双端队列)：是一种双开口的"连续"空间的数据结构，双开口的含义是：可以在头尾两端进行插入和删除操作，且时间复杂度为O(1)，与vector比较，头插效率高，不需要搬移元素；与 list比较，空间利用率比较高。

deque并不是真正连续的空间，而是由一段段连续的小空间拼接而成的，实际deque类似于一个 动态的二维数组，其底层结构如下图所示:

这张图准确展示了 deque（双端队列）的底层结构，核心由三部分组成：

中控器（map）：是指针数组，每个指针指向一个缓冲区（buffer）（连续内存块），用于管理所有分段的内存。
缓冲区（buffer）：多个分段的连续内存块，实际存储元素。图中不同缓冲区的填充状态体现了元素的分布（如中间缓冲区有部分元素已存储）。
迭代器（iterator）：

start(iterator) ：标记 deque 的起始范围，由 cur （当前元素指针）、 first （起始缓冲区的起始指针）、 last （起始缓冲区的末尾指针）、 node （指向中控器对应节点的指针）组成。
finish(iterator) ：标记 deque 的末尾范围，结构与 start 一致，用于界定元素的结束位置。

这种结构的核心优势是：

双端操作高效：在起始缓冲区执行 push_front / pop_front ，在末尾缓冲区执行 push_back / pop_back ，均只需操作分段内存的两端，无需整体移动元素。
随机访问可行：通过中控器的指针数组快速定位目标元素所在的缓冲区，再结合迭代器的 cur 指针偏移，实现 O(1) 时间的随机访问。

双端队列底层是一段假象的连续空间，实际是分段连续的，为了维护其“整体连续”以及随机访问 的假象，落在了deque的迭代器身上，因此deque的迭代器设计就比较复杂，如下图所示：

中控器（map）：一个指针数组，每个指针指向一块连续的内存区域（称为“缓冲区 buffer”）。
缓冲区（buffer）：分段的连续内存块，用于实际存储元素，解决了 vector 单一连续内存扩容时的拷贝开销问题。
迭代器（iterator）：通过 cur （当前元素指针）、 first （缓冲区起始指针）、 last （缓冲区末尾指针）、 node （指向中控器对应节点的指针），实现跨分段的元素访问和迭代。

那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？

这张图通过可视化的方式，解释了 deque 执行 push_back （尾插）操作时的内部逻辑：

1. 缓冲区与中控器的配合：
deque 底层由多个缓冲区（buffer）（连续内存块）组成，这些缓冲区的地址由中控器（map，指针数组）管理。图中可以看到多个缓冲区（如存储 0-7、8-15、16-19 及后续元素的块），中控器的指针数组指向这些缓冲区的起始地址。
2. 尾插的执行流程：
当调用 push_back(0) 、 push_back(1) 、 push_back(2) 时：
- deque 会找到最末尾的缓冲区（图中存储 16-19 及后续元素的块）。
- 从该缓冲区的空闲位置开始依次插入元素 0、1、2。
- 若当前缓冲区已满，deque 会自动分配新的缓冲区，并通过中控器的指针数组维护新缓冲区的地址，保证后续尾插操作的连续性。
3. 迭代器的角色：
finish(iterator) 标记了 deque 的末尾范围，其内部的 cur 指针会随着尾插操作不断后移，始终指向“下一个可插入的位置”，从而维护了 deque“假想连续”的逻辑结构——尽管物理内存是分段的，但通过迭代器和中控器的配合，用户可以感知到元素是连续存储的。

简言之，这张图直观呈现了 deque 如何通过分段缓冲区 + 中控器管理 + 迭代器标记，实现高效的尾插操作，同时维持“逻辑连续”的抽象结构。

deque的缺陷

deque 虽然在双端操作和随机访问之间做了平衡，但也存在以下缺陷：
1. 中间操作效率低
在中间位置（非头部、非尾部）插入或删除元素时，需要移动该位置前后的元素，时间复杂度为 O(n)，远不如 list（中间操作 O(1)）高效。
2. 随机访问略逊于 vector
尽管支持随机访问，但由于内存是分段存储的，访问元素时需要先通过中控器定位到对应的缓冲区，再在缓冲区内偏移访问，实际速度比 vector（单一连续内存直接访问）稍慢。
3. 内存结构复杂
底层需要维护“中控器（map）+ 分段缓冲区”的结构，实现逻辑比 vector 和 list 更复杂，这也导致其迭代器的实现和维护成本较高。
4. 迭代器稳定性不足
当在 deque 的头部或尾部之外的位置进行插入/删除操作，或者因中控器扩容导致缓冲区地址变化时，迭代器可能会失效，稳定性不如 list（list 仅被删除节点的迭代器失效）。
5. 不适合大量中间操作场景
如果业务场景中需要频繁对中间元素进行增删，deque 的性能表现会明显不如 list；而如果需要频繁随机访问，又不如 vector 高效，存在一定的使用场景局限性。

与vector比较，deque的优势是：头部插入和删除时，不需要搬移元素，效率特别高，而且在扩 容时，也不需要搬移大量的元素，因此其效率是必vector高的。

与list比较，其底层是连续空间，空间利用率比较高，不需要存储额外字段。

但是，deque有一个致命缺陷：不适合遍历，因为在遍历时，deque的迭代器要频繁的去检测其 是否移动到某段小空间的边界，导致效率低下，而序列式场景中，可能需要经常遍历，因此在实 际中，需要线性结构时，大多数情况下优先考虑vector和list，deque的应用并不多，而目前能看 到的一个应用就是，STL用其作为stack和queue的底层数据结构。

为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器?

stack是一种后进先出的特殊线性数据结构，因此只要具有push_back()和pop_back()操作的线性结构，都可以作为stack的底层容器，比如vector和list都可以；queue是先进先出的特殊线性数据结构，只要具有push_back和pop_front操作的线性结构，都可以作为queue的底层容器，比如 list。但是STL中对stack和queue默认选择deque作为其底层容器，主要是因为：

1. stack和queue不需要遍历(因此stack和queue没有迭代器)，只需要在固定的一端或者两端进行操作。
2. 在stack中元素增长时，deque比vector的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)；queue中的元素增长时，deque不仅效率高，而且内存使用率高。结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。

总结:

摘要：双端队列deque是STL中的动态序列容器，支持两端高效插入/删除和随机访问，填补了vector和list的功能空白。其底层通过"中控器+分段缓冲区"实现，兼具vector的随机访问和list的双端操作优势，但中间操作效率较低。deque是stack和queue的默认底层容器，因其完美适配二者仅需单端或双端操作的特点。虽然deque平衡了功能与性能，但在实际应用中仍存在遍历效率低、中间操作慢等缺陷，通常在需要频繁随机访问时选择vector，频繁中间操作时选择list更为合适。

感谢大家的观看!