C++ STL Deque 高频面试题与答案

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Q1: 什么是 C++ STL 中的 deque？

Q2: deque 的内部数据结构是怎样的？

Q3: deque 主要操作的时间复杂度是多少？

Q4: deque 和 vector 有什么主要区别？

Q5: deque 和 list 有什么主要区别？

Q6: deque 的迭代器失效规则是怎样的？

Q7: 什么时候应该使用 deque？

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deque（double-ended queue，双端队列）是 C++ STL 中一个非常有用的序列容器。它允许在序列的两端（前端和后端）进行快速的插入和删除操作。

Q1: 什么是 C++ STL 中的 deque？

A1: deque 是一个序列容器，它支持在容器的两端（前端和后端）进行高效的插入和删除操作。它也支持通过索引（[] 或 .at()）进行快速的随机访问。

它的行为就像一个 vector 和 list 的混合体，提供了类似 vector 的随机访问能力，又具备了类似 list 的两端高效插入/删除能力。

Q2: deque 的内部数据结构是怎样的？

A2: deque 的内部实现通常比 vector 复杂。它不是一块连续的内存。

相反，deque 内部通常由一个“中控器”（或称为“map”，但这里的 map 不是 std::map）来管理。这个中控器是一个指针数组（或指针的指针），它指向多个固定大小的内存块（chunks/blocks）。

• 中控器（Map）： 是一个连续的内存块，存储指向各个数据块的指针。

• 数据块（Chunks）： 是实际存储元素的连续内存块。

当在 deque 的前端或后端插入元素时：

1. 如果对应方向的数据块未满，元素被直接放入该块。

2. 如果该数据块已满，deque 会分配一个新的数据块，并将新元素放入，同时在中控器（map）中添加指向这个新数据块的指针。

3. 如果中控器（map）本身也满了，deque 会分配一个新的、更大的中控器，将旧中控器的内容拷贝过去，然后释放旧中控器。

这种分块的结构使得它可以在两端高效地增长，而不需要像 vector 那样移动所有元素。

Q3: deque 主要操作的时间复杂度是多少？

A3:

操作	时间复杂度	备注
随机访问 ([], .at())	$O(1)$	几乎是 $O(1)$。严格来说，它需要一次中控器索引和一次数据块内偏移，但都是常数时间。
前端插入/删除 (push_front, pop_front)	$O(1)$ (均摊)	均摊复杂度。在大多数情况下是 $O(1)$，但如果需要分配新数据块或扩展中控器，则会产生额外开销。
后端插入/删除 (push_back, pop_back)	$O(1)$ (均摊)	同上。
中间插入/删除	$O(N)$	$N$ 是 deque 中元素的数量。这涉及移动插入/删除点之后（或之前）的所有元素，效率很低。

Q4: deque 和 vector 有什么主要区别？

A4: 这是最常被问到的问题之一。

特性	vector (动态数组)	deque (双端队列)
内存布局	连续内存 (所有元素在一整块内存中)	分块的连续内存 (通过中控器管理多个数据块)
前端插入/删除	$O(N)$ (效率极低，需移动所有元素)	$O(1)$ (均摊，非常高效)
后端插入/删除	$O(1)$ (均摊)	$O(1)$ (均摊)
中间插入/删除	$O(N)$	$O(N)$ (通常比 vector 慢，因为可能涉及跨数据块的移动)
随机访问	$O(1)$ (最快，一次指针偏移)	$O(1)$ (也很快，但比 vector 略慢，涉及两次指针操作)
内存重新分配	当容量不足时，重新分配一块更大的内存，并移动所有元素。	在两端添加时，只需分配新的数据块，无需移动已有元素。仅当中控器满时才需重新分配中控器。
迭代器	连续内存，是普通的指针。	非普通指针，是一个特殊的类，内部维护指向中控器、数据块和当前元素的指针。

总结：

• 如果你需要频繁在前端插入/删除，请使用 deque。

• 如果你只需要在后端操作，并且需要最快的随机访问和绝对连续的内存（例如与 C API 交互），请使用 vector。

• 如果你在乎内存占用的连续性，vector 更好；deque 会产生内存碎片（多个小块）。

Q5: deque 和 list 有什么主要区别？

A5:

特性	list (双向链表)	deque (双端队列)
内存布局	非连续内存 (每个节点单独分配)	分块的连续内存
随机访问	$O(N)$ (不支持 []，只能遍历)	$O(1)$ (支持 []，非常高效)
前端插入/删除	$O(1)$ (常数时间)	$O(1)$ (均摊常数时间)
后端插入/删除	$O(1)$ (常数时间)	$O(1)$ (均摊常数时间)
中间插入/删除	$O(1)$ (如果已有迭代器指向该位置)	$O(N)$ (效率很低)
迭代器失效	非常稳定。插入操作不会使迭代器失效；删除操作仅使指向被删除元素的迭代器失效。	不稳定。见 Q6。
内存开销	高。每个元素都有额外的指针开销 (前驱和后继)。	中等。有中控器和数据块管理的开销，但分摊到每个元素上通常比 list 少。

总结：

• 如果你需要高效的随机访问，请在 deque 和 vector 中选择。

• 如果你需要频繁在中间插入/删除元素，并且希望操作后迭代器保持有效，请使用 list。

• 如果你的需求集中在两端操作，并且也需要随机访问，deque 是完美的选择。

Q6: deque 的迭代器失效规则是怎样的？

A6: deque 的迭代器失效规则比较复杂，介于 vector 和 list 之间：

1. 在两端插入 (push_front, push_back)：

   • 迭代器：所有已存在的迭代器都失效。（因为中控器（map）可能会被重新分配和拷贝，导致迭代器内部指向中控器的指针失效）。

   • 引用和指针：不会失效。（因为数据块本身没有被移动）。

2. 在两端删除 (pop_front, pop_back)：

   • 迭代器：仅指向被删除元素的迭代器失效。

   • 引用和指针：仅指向被删除元素的引用和指针失效。

3. 在中间插入：

   • 所有迭代器、引用和指针都失效。

4. 在中间删除：

   • 所有迭代器、引用和指针都失效。

注意： deque 在两端插入时迭代器会失效，这是它与 vector（后端插入时，若未扩容则迭代器不失效）的一个重要区别，也是面试中容易出错的地方。

Q7: 什么时候应该使用 deque？

A7: 当你的应用场景满足以下一个或多个条件时，应优先考虑 deque：

1. 需要频繁在容器的前端和后端进行插入和删除操作。（例如：实现一个队列或双端队列）。

2. 需要支持高效的随机访问（[] 操作）。 （这是它优于 list 的地方）。

3. 不希望在容器增长时（尤其是前端增长时）移动所有元素。（这是它优于 vector 的地方）。

4. 可以接受非连续的内存布局。

经典用例：

• 实现一个队列（Queue）：std::queue 默认就是使用 deque 作为其底层容器的。

• 实现一个滑动窗口（Sliding Window）算法：例如“求窗口中的最大值”，需要在窗口滑动时（一端出、一端进）高效操作，同时可能需要访问窗口内的元素。

• 任务调度队列。