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目录
一、deque的基本概念
主要特点：
二、deque的底层实现原理
1、底层结构
2、内存布局示例
3、扩容机制
三、deque的迭代器设计
四、deque的优缺点分析
优点（相比其他容器）：
缺点：
五、deque的应用场景
为什么不是vector或list？
六、deque 的基本操作
1、创建和初始化 deque
2、元素访问
3、修改 deque
4、容量操作
七、deque 的迭代器
八、deque 的性能分析
九、示例：使用 deque 实现滑动窗口最大值
十、总结
一、deque的基本概念
deque（双端队列，全称 double-ended queue）是一种双开口的"连续"空间数据结构，是 C++ STL 中的一个独立容器，而不是容器适配器。它允许在队列的前端和后端高效地进行插入和删除操作，时间复杂度为O(1)。
与 vector 相比，deque 在头部插入和删除元素时性能更好；与 list 相比，deque 支持随机访问，但在中间位置插入和删除元素效率较低。
主要特点：
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双端操作：支持push_front、push_back、pop_front、pop_back，可以在头部和尾部高效地插入和删除元素
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假象的连续空间：实际由多个分段连续的小空间组成
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动态扩展：不需要像vector那样搬移大量元素，可以根据需要自动扩展和收缩
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较高空间利用率：相比list不需要存储额外指针字段
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随机访问：支持通过下标直接访问元素
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不连续存储：元素并非存储在连续的内存块中（与 vector 不同）
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迭代器支持：提供随机访问迭代器
二、deque的底层实现原理
deque 通常实现为一系列固定大小的数组（称为块或缓冲区），这些数组的指针被存储在一个中央控制结构中（通常是数组）。这种实现方式使得：
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在两端扩展和收缩都很高效
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随机访问需要先计算元素所在的块，然后再计算块内的偏移
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内存使用比 vector 更分散，但比 list 更紧凑
1、底层结构
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，deque的底层实现类似于一个动态的二维数组，但更为复杂。它由以下几个关键部分组成：
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map（中控器）：一个指针数组，每个元素指向一块连续的内存块（称为缓冲区或节点）
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缓冲区（node）：实际存储数据的连续内存块
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迭代器：包含四个指针：
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cur：当前元素指针
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first：当前缓冲区的起始位置
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last：当前缓冲区的结束位置
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node：指向map中对应的指针
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2、内存布局示例
当执行以下操作时：
deque<int> deq;
deq.push_back(0);
deq.push_back(1);
deq.push_back(2);内存可能布局为：
3、扩容机制
当map使用率满载时，会执行reallocate_map()：
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找一块更大的空间
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将原有指针复制到新map的中间位置
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释放旧map
这种策略保持了deque两端的高效扩展能力。
三、deque的迭代器设计
deque的迭代器比普通迭代器复杂，因为它需要维护"假象连续"的特性：
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当迭代器到达当前缓冲区边界时，需要跳转到下一个/上一个缓冲区
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迭代器需要知道当前缓冲区的位置和边界
四、deque的优缺点分析
优点（相比其他容器）：
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vs vector：
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头部操作高效（O(1) vs O(n)）
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扩容时不需要搬移大量元素
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vs list：
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更高的空间利用率（不需要存储指针）
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更好的缓存局部性（数据局部连续）
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缺点：
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随机访问性能不如vector（需要计算缓冲区位置）
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遍历效率低（频繁检查边界）
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中间插入/删除效率低（需要移动元素）
五、deque的应用场景
虽然deque本身应用不多，但它是STL中stack和queue的理想底层容器，因为：
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stack和queue不需要遍历：避开了deque遍历效率低的缺陷
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高效的双端操作：正好满足stack和queue的操作需求，需要频繁在两端添加或删除元素
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内存效率高：比list更适合作为基础容器
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扩展高效：比vector在频繁push/pop时性能更好
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需要随机访问，但不需要频繁在中间插入/删除
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实现队列或双端队列数据结构
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作为优先级队列的底层容器（std::priority_queue 默认使用 vector，但也可以指定 deque）
为什么不是vector或list？
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vector：头部操作效率低，扩容成本高
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list：空间利用率低，缓存不友好
六、deque 的基本操作
1、创建和初始化 deque
#include <deque>
#include <iostream>int main() {// 空 dequestd::deque<int> d1;// 包含 5 个元素，每个初始化为 0std::deque<int> d2(5);// 包含 5 个元素，每个初始化为 10std::deque<int> d3(5, 10);// 通过初始化列表std::deque<int> d4 = {1, 2, 3, 4, 5};// 通过迭代器范围int arr[] = {6, 7, 8, 9, 10};std::deque<int> d5(arr, arr + 5);// 拷贝构造函数std::deque<int> d6(d5);return 0;
}2、元素访问
std::deque<int> d = {1, 2, 3, 4, 5};// 使用下标运算符（不检查边界）
int a = d[2]; // 3// 使用 at 方法（检查边界，越界抛出 std::out_of_range 异常）
int b = d.at(3); // 4// 访问第一个和最后一个元素
int front = d.front(); // 1
int back = d.back(); // 53、修改 deque
std::deque<int> d = {1, 2, 3};// 在尾部添加元素
d.push_back(4); // {1, 2, 3, 4}// 在头部添加元素
d.push_front(0); // {0, 1, 2, 3, 4}// 删除尾部元素
d.pop_back(); // {0, 1, 2, 3}// 删除头部元素
d.pop_front(); // {1, 2, 3}// 在指定位置插入元素
auto it = d.begin() + 1;
d.insert(it, 10); // {1, 10, 2, 3}// 删除指定位置的元素
it = d.begin() + 2;
d.erase(it); // {1, 10, 3}// 清空 deque
d.clear(); // {}4、容量操作
std::deque<int> d = {1, 2, 3};// 获取元素数量
size_t size = d.size(); // 3// 检查是否为空
bool empty = d.empty(); // false// 改变大小
d.resize(5); // {1, 2, 3, 0, 0}
d.resize(2); // {1, 2}
d.resize(4, 10); // {1, 2, 10, 10}七、deque 的迭代器
deque 提供随机访问迭代器，支持所有随机访问迭代器操作：
std::deque<int> d = {1, 2, 3, 4, 5};// 使用迭代器遍历
for (auto it = d.begin(); it != d.end(); ++it) {std::cout << *it << " ";
}
std::cout << std::endl;// 使用反向迭代器
for (auto rit = d.rbegin(); rit != d.rend(); ++rit) {std::cout << *rit << " ";
}
std::cout << std::endl;// 随机访问
auto it = d.begin() + 3;
std::cout << *it << std::endl; // 4八、deque 的性能分析
| 操作 | 时间复杂度 |
|---|---|
| 随机访问 | O(1) |
| 在头部或尾部插入/删除 | O(1) |
| 在中间位置插入/删除 | O(n) |
| 查找元素 | O(n) |
九、示例：使用 deque 实现滑动窗口最大值
#include <deque>
#include <vector>
#include <iostream>std::vector<int> maxSlidingWindow(const std::vector<int>& nums, int k) {std::vector<int> result;std::deque<int> dq; // 存储索引for (int i = 0; i < nums.size(); ++i) {// 移除超出窗口范围的元素if (!dq.empty() && dq.front() == i - k) {dq.pop_front();}// 移除所有小于当前元素的元素while (!dq.empty() && nums[dq.back()] < nums[i]) {dq.pop_back();}// 添加当前元素dq.push_back(i);// 当窗口形成时，记录最大值if (i >= k - 1) {result.push_back(nums[dq.front()]);}}return result;
}int main() {std::vector<int> nums = {1, 3, -1, -3, 5, 3, 6, 7};int k = 3;auto result = maxSlidingWindow(nums, k);for (int num : result) {std::cout << num << " ";}// 输出: 3 3 5 5 6 7return 0;
}十、总结
deque是一种折衷设计的数据结构，它：
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结合了vector和list的部分优点
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通过复杂迭代器维护"假象连续"的特性
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特别适合作为只需要双端操作的容器的底层实现
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在实际应用中，除非特定需求，通常优先考虑vector或list