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vector、list、deque的差异

一、STL 容器与适配器概述

1. 适配器(Adapter)的概念

适配器是一种封装底层容器的设计模式,目的是提供统一的访问接口,同时屏蔽底层容器的实现细节。例如 std::queue(队列)和 std::stack(栈)是典型的适配器,它们默认以 std::deque 作为底层容器。

2. 容器分类

  • 序列容器:按顺序存储元素,如 vector(动态数组)、list(双向链表)、deque(双端队列)。
  • 适配器容器:基于其他容器封装而来,如 queue(队列)、stack(栈)、priority_queue(优先队列)。

二、deque(双端队列)的底层实现

deque 是 “分段连续” 的容器,结合了 vector(连续内存)和 list(节点式管理)的优点,支持双端高效操作随机访问

1. 底层结构组成

  • 缓冲区(Buffer):多个连续的小内存块,用于存储实际元素。
  • 中控器(Map):一个指针数组,每个指针指向一个缓冲区,负责管理所有缓冲区的 “逻辑连续”。

2. 迭代器设计(__deque_iterator

为了模拟 “连续内存” 的随机访问,deque 的迭代器需要处理跨缓冲区的情况,其核心结构如下:

struct __deque_iterator {typedef T** map_pointer;  // 指向中控器指针数组的指针T* cur;       // 指向当前元素T* first;     // 当前缓冲区的起始位置T* last;      // 当前缓冲区的结束位置(下一个元素的位置)map_pointer node;  // 指向中控器中当前缓冲区的指针// 解引用操作:返回当前元素reference operator*() const { return *cur; }// 前置++操作:处理跨缓冲区的情况self& operator++() {++cur;if (cur == last) {  // 当前缓冲区遍历完毕set_node(node + 1);  // 跳到下一个缓冲区cur = first;         // 指向新缓冲区的起始位置}return *this;}// 设置当前缓冲区(辅助跨缓冲区操作)void set_node(map_pointer new_node) {node = new_node;first = *new_node;  // 新缓冲区的起始地址last = first + difference_type(buffer_size());  // 计算新缓冲区的结束位置}
};

3. 核心操作(push_back、push_front 等)

deque 支持双端高效插入 / 删除,核心逻辑依赖 “中控器 + 多缓冲区” 的结构:

  • push_back:在队尾缓冲区添加元素;若当前缓冲区已满,则新增缓冲区,并更新中控器的指针数组。
  • push_front:在队首缓冲区添加元素;若当前缓冲区已满,则新增缓冲区,并更新中控器的指针数组。
  • 插入 / 删除时,只需操作当前缓冲区的首尾,无需像 vector 那样移动大量元素,也无需像 list 那样分配节点,效率较高。

三、vector、list、deque 的性能对比

容器随机访问头尾插入 / 删除中间插入 / 删除扩容开销CPU 缓存命中率
vectorO(1)O(n)O(n)有(可能浪费内存)高(连续内存)
listO(n)O(1)O(1)无(按需分配)低(节点分散)
dequeO (1)(逻辑连续,迭代器计算)O(1)O (n)(需移动当前缓冲区元素)小(分段扩容)中(分段连续)

1. vector

  • 优点:支持随机访问operator[] 时间复杂度 O (1));                                                                    CPU 高速缓存命中率高(连续内存,易被缓存)。
  • 缺点:头部 / 中部插入 / 删除效率低(需移动元素,时间复杂度 O (n));                                          扩容时有内存浪费(如容量从 100 扩容到 200,若只存 120 个元素则浪费 80 空间)。

2. list

  • 优点:任意位置插入 / 删除效率高(O (1),无需移动元素,只需修改节点指针);                             无扩容开销(节点按需分配,不浪费空间)。
  • 缺点:不支持随机访问(需遍历链表,时间复杂度 O (n));                                                               CPU 高速缓存命中率低(节点分散在内存中,难以被缓存)。

3. deque

  • 优点:双端插入 / 删除高效(O (1));                                                                                                支持随机访问(通过迭代器计算跨缓冲区的位置,时间复杂度 O (1));                                  扩容时无大规模内存拷贝(分段扩容)。
  • 缺点:随机访问的底层逻辑比 vector 复杂(需通过中控器和迭代器计算缓冲区与偏移);                 CPU 缓存命中率不如 vector(分段内存,缓存连续性差)。

四、适配器容器:queue、stack、priority_queue

1. std::queue(队列)

  • 适配器,默认底层容器为 deque
  •  先进先出(FIFO
    • push:队尾入队;
    • pop:队首出队;
    • front:访问队首元素;
    • back:访问队尾元素。

2. std::stack(栈)

  • 适配器,默认底层容器为 deque
  •  后进先出(LIFO)
    • push:栈顶入栈;
    • pop:栈顶出栈;
    • top:访问栈顶元素。

3. std::priority_queue(优先队列)

  • 底层基于堆结构(默认用 vector 作为底层容器,再通过堆算法维护顺序)。
  • 元素按优先级排序top 始终返回优先级最高的元素;
  • 插入操作需维护堆结构,时间复杂度 O (log n)。

五、内存访问与 CPU 缓存(背景知识)

CPU 访问数据时,会先查询三级缓存(L1、L2、L3)

  • 若缓存命中,则直接从缓存取数据(速度快);

  • 若缓存不命中,则从内存加载数据(速度慢,且会把相邻数据一并加载到缓存)。

  • vector 的连续内存易被缓存命中,效率高;

  • list 的分散节点缓存命中率低;

  • deque 的分段连续介于两者之间。

六、deque 的适用场景

  • 需要双端频繁插入 / 删除,且偶尔需要随机访问的场景;
  • 作为 queue 和 stack 的默认底层容器(两者只需单端 / 双端操作,deque 能高效支持)。
http://www.dtcms.com/a/474747.html

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