C++ 中list、vector和deque比较

C++ 中list、vector和deque比较

默认分类 2009-03-10 17:55:48 阅读67 评论0   字号：大中小 订阅

Ladies & Gentlemem：

大家好，这里是首届C++模板武道会的现场，本次武道会由beyond_ml做东，第一场解说员为beyond_ml。由于首次举办这样规模空前的盛会，难免有疏漏之处，还请各位高手不吝赐教。Beyond_ml有理啦。同时也欢迎各位大虾把此次武道会看做是一个虚基类，不断继承，派生出新的比赛。

比赛开始：

首先介绍比武参赛者：

Vector：金山词霸翻译成：矢量，向量等，C++容器模板中的大哥大，就像是一个加强版的队列，之所以这样说，是因为它不但有队列形式的索引，还能动态的添加扩充。使用尤其广泛，并且在许多经典教材中被作为重点介绍。

特点：把被包含的对象以数组的形式存储，支持索引形式的访问（这种访问速度奇快无比）。但由此也产生了一个问题，由于数据存储形式的固定化，你如果想在他中间部位insert对象的话，搞不好会让你吃尽苦头。因为他在分配空间的时候，可是成块分配的连续空间哦。

Deque:英文“double-ended-queue”。名如其人，这是C++有序容器中闻名遐迩的双向队列。他在设计之初，就为从两端添加和删除元素做了特殊的优化。同样也支持随即访问，也有类似于vector的[ ]操作符，但大家不要因此就把他和vector混为一潭哦。

特点：从本质上讲，他在分配内存的时候，使用了MAP的结构和方法。化整为零，分配了许多小的连续空间，因此，从deque两端添加、删除元素是十分方便的。最重要的一点：如果在不知道内存具体需求的时候，使用deque绝对是比vector好的，具体怎么好，比武为证。另外在插一句，不知是不是有意设计，大多数情况下，deque和vector是可以互换使用的。

List：模板中的双向链表。设计他的目的可能就是为了在容器中间插入、删除吧，所以有得比有失，他的随机访问速度可不敢恭维。而且没有[ ]操作。即便你是为了从前到后的顺序访问，也不见得就能快多少，“爱用不用，反正俺有强项！”List还挺哼，这也难怪，看看他的特点吧。

特点：随机的插入、删除元素，在速度上占有明显的优势。并且，由于内存分配不连续，他对插入的要求也十分的低。所以在使用大对象的时候，这可是一个不错的选择。

“闲言碎语不要讲，开打，开打。”

“咚……”

比武正式开始：

第一局：比一比谁的内存管理强。

比试方法：人为引起存储的对象数据溢出，分别看看系统消耗。系统消耗在这里指：对象构造函数、拷贝函数、析构函数的调用次数。

测试程序如下：

noisy.h  …… 包含了测试对象，每次在调用构造、拷贝、析构函数的时候，都会打印相应的提示。

//: C04:Noisy.h

// A class to track various object activities

#ifndef NOISY_H

#define NOISY_H

#include

class Noisy

{

       static long create, assign, copycons, destroy;

       long id;

       public:

       Noisy() : id(create++)

       {

              std::cout << "d[" << id << "]";

       }

       Noisy(const Noisy& rv) : id(rv.id)

       {

              std::cout << "c[" << id << "]";

              copycons++;

       }

       Noisy& operator=(const Noisy& rv)

       {

              std::cout << "(" << id << ")=[" <<

              rv.id << "]";

              id = rv.id;

              assign++;

              return *this;

       }

       friend bool

       operator<(const Noisy& lv, const Noisy& rv)

       {

              return lv.id < rv.id;

       }

       friend bool

       operator==(const Noisy& lv, const Noisy& rv)

       {

              return lv.id == rv.id;

       }

       ~Noisy()

       {

              std::cout << "~[" << id << "]";

              destroy++;

       }

       friend std::ostream&

       operator<<(std::ostream& os, const Noisy& n)

       {

              return os << n.id;

       }

       friend class NoisyReport;

};

 

struct NoisyGen

{

       Noisy operator()() { return Noisy(); }

};

// A singleton. Will automatically report the

// statistics as the program terminates:

class NoisyReport

{

       static NoisyReport nr;

       NoisyReport() {} // Private constructor

       public:

       ~NoisyReport()

       {

              std::cout << "/n-------------------/n"

              << "Noisy creations: " << Noisy::create

              << "/nCopy-Constructions: "

              << Noisy::copycons

              << "/nAssignments: " << Noisy::assign

              << "/nDestructions: " << Noisy::destroy

              << std::endl;

       }

};

// Because of these this file can only be used

// in simple test situations. Move them to a

// .cpp file for more complex programs:

long Noisy::create = 0, Noisy::assign = 0,

Noisy::copycons = 0, Noisy::destroy = 0;

NoisyReport NoisyReport::nr;

#endif // NOISY_H ///:~

 

目标：插入一千个Noisy对象。

Vector上场 

//: C04:VectorOverflow.cpp

// Shows the copy-construction and destruction

// That occurs when a vector must reallocate

// (It maintains a linear array of elements)

#include "noisy.h"

#include

#include

#include

#include

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[])

{

       int size = 1000;

      if(argc >= 2) size = atoi(argv[1]);

       vector vn;

       Noisy n;

       for(int i = 0; i < size; i++)

       vn.push_back(n);

       cout << "/n cleaning up /n";

} ///:~

测试结果：

Noisy creations: 1                     （构造函数调用）

Copy-Constructions: 2023                     （拷贝函数调用）

Assignments: 0                                   （赋值调用）

Destructions: 2024                                   （析构调用）

Beyond_ml评论：哇！老大，我只是插一千个对象而已，你怎么一下子调2023次拷贝函数，相应的还有2024次析构调用，哎，看来，如果你插入的数据超过了他的保留空间后，vector搬家的动静是很大的。

 

Deque上场

代码部分可以照抄vector的，因为他们太像了。

测试结果：

Noisy creations: 1

Copy-Constructions: 1007

Assignments: 0

Destructions: 1008

Beyond_ml评论：嗯，不错。不过那多出来的7个也不太好么。

 

List上场

代码部分继续照抄。

测试结果：

Noisy creations: 1

Copy-Constructions: 1000

Assignments: 0

Destructions: 1001

Beyond_ml评论：perfect！非常好！满分。

 

第一局结束List胜出！

 

第二局 比一比随机访问的速度（访问速度以时钟周期作为标准）

咦？话音刚落，list怎么就举了白旗？哦，我想起来了，他不支持随机访问策略。也就是没有[ ]和at()操作。

测试程序：IndexingVsAt.cpp 插入一千个数据，用[ ]和at( )两种方法随机访问一百万次，比较时钟周期。

//: C04:IndexingVsAt.cpp

// Comparing "at()" to operator[]

#include

#include

#include

#include

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[])

{

       long count = 1000;

       int sz = 1000;

      if(argc >= 2) count = atoi(argv[1]);

      if(argc >= 3) sz = atoi(argv[2]);

       vector vi(sz);

       clock_t ticks = clock();

       for(int i1 = 0; i1 < count; i1++)

       for(int j = 0; j < sz; j++)

       vi[j];

       cout << "vector[]" << clock() - ticks << endl;

       ticks = clock();

       for(int i2 = 0; i2 < count; i2++)

       for(int j = 0; j < sz; j++)

       vi.at(j);

       cout << "vector::at()" << clock()-ticks <

       deque di(sz);

       ticks = clock();

       for(int i3 = 0; i3 < count; i3++)

       for(int j = 0; j < sz; j++)

       di[j];

       cout << "deque[]" << clock() - ticks << endl;

       ticks = clock();

       for(int i4 = 0; i4 < count; i4++)

       for(int j = 0; j < sz; j++)

       di.at(j);

       cout << "deque::at()" << clock()-ticks <

       // Demonstrate at() when you go out of bounds:

       //di.at(vi.size() + 1); error here.

} ///:~

测试结果：

vector[]360000

vector::at()790000

deque[]1350000

deque::at()1750000

beyond_ml评论：果然是不必不知道，一比吓一跳。Vector以绝对优势胜出！

 

第三局 比后部插入速度以及iterator的访问速度

插入方法主要使用push_back。

然后再通过内部的iterator指针完成取数据的操作。

测试文件：

require.h  主要包含了一些文件操作。

//: :require.h

// Test for error conditions in programs

// Local "using namespace std" for old compilers

#ifndef REQUIRE_H

#define REQUIRE_H

#include

#include

#include

inline void require(bool requirement,const char* msg = "Requirement failed")

{

       using namespace std;

       if (!requirement)

       {

              fputs(msg, stderr);

              fputs("/n", stderr);

              exit(1);

       }

}

 

inline void requireArgs(int argc, int args,const char* msg = "Must use %d arguments")

{

       using namespace std;

       if (argc != args + 1)

       {

              fprintf(stderr, msg, args);

              fputs("/n", stderr);

              exit(1);

       }

}

 

inline void requireMinArgs(int argc, int minArgs,const char* msg ="Must use at least %d arguments")

{

       using namespace std;

       if(argc < minArgs + 1)

       {

              fprintf(stderr, msg, minArgs);

              fputs("/n", stderr);

              exit(1);

       }

}

 

inline void assure(std::ifstream& in,const char* filename = "")

{

       using namespace std;

       if(!in)

       {

              fprintf(stderr,    "Could not open file %s/n", filename);

              exit(1);

       }

}

 

inline void assure(std::ofstream& in,const char* filename = "")

{

       using namespace std;

       if(!in)

       {

              fprintf(stderr,    "Could not open file %s/n", filename);

              exit(1);

       }

}

#endif

StringDeque.cpp 测试主程序

//: C04:StringDeque.cpp

// Converted from StringVector.cpp

#include "require.h"

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

using namespace std;

 

int main(int argc, char* argv[])

{

       requireArgs(argc, 1);

       ifstream in(argv[1]);

       assure(in, argv[1]);

       vector vstrings;

       deque dstrings;

       list lstrings;

       string line;

      

       // Time reading into vector:

       clock_t ticks = clock();

       while(getline(in, line))

       vstrings.push_back(line);

       ticks = clock() - ticks;

       cout << "Read into vector: " << ticks << endl;

      

       // Repeat for deque:

       ifstream in2(argv[1]);

       assure(in2, argv[1]);

       ticks = clock();

       while(getline(in2, line))

       dstrings.push_back(line);

       ticks = clock() - ticks;

       cout << "Read into deque: " << ticks << endl;

      

       // Repeat for list:

       ifstream in3(argv[1]);

       assure(in3, argv[1]);

       ticks = clock();

       while(getline(in3, line))

       lstrings.push_back(line);

       ticks = clock() - ticks;

       cout << "Read into list: " << ticks << endl;

 

      

       // Compare iteration

       ofstream tmp1("tmp1.tmp"), tmp2("tmp2.tmp"), tmp3("tmp3.tmp");

      

       ticks = clock();

       copy(vstrings.begin(), vstrings.end(),

       ostream_iterator(tmp1, "/n"));

       ticks = clock() - ticks;

       cout << "Iterating vector: " << ticks << endl;

      

       ticks = clock();

       copy(dstrings.begin(), dstrings.end(),

       ostream_iterator(tmp2, "/n"));

       ticks = clock() - ticks;

       cout << "Iterating deqeue: " << ticks << endl;

      

       ticks = clock();

       copy(lstrings.begin(), lstrings.end(),

       ostream_iterator(tmp3, "/n"));

       ticks = clock() - ticks;

       cout << "Iterating list: " << ticks << endl;

      

} ///:~

测试用的文件是一个三千行的文本。

测试结果：

Read into vector: 690000

Read into deque: 680000

Read into list: 690000

Iterating vector: 20000

Iterating deqeue: 20000

Iterating list: 10000

测试用的文件是一个二千行的文本。

Read into vector: 460000

Read into deque: 460000

Read into list: 440000

Iterating vector: 10000

Iterating deqeue: 10000

Iterating list: 20000

测试用的文件是一个一千行的文本。

测试结果：

Read into vector: 230000

Read into deque: 240000

Read into list: 250000

Iterating vector: 10000

Iterating deqeue: 0

Iterating list: 10000

Beyond_ml的评论：这下就难了，怎么说呢？

在push_back的时候，显然文件越小，vector越占优，文件越大，list越占优。哈哈，开玩笑，如果作研究的都像我这样，那大家都不要干了，其实，这是和上面几个测试的结果分不开的，文件越大，vector越费力，原因很简单，他要不停的开辟新的内存空间来给自己搬家，而deque就好的多，因为他不必搬家，他只是需要小范围的重新排列。而list就更每问题了，他的内存空间本来就是离散的。这下你能明白了吧？

所以作为函数本身的运行速度是没有大差别的，但现在看来，如果牵扯上其它因素，就要令说了。

而读数据的速度来看，list的表现十分让人迷惑不解对此，我还想不到什么好的解释，也许和程序运行时主机的内存状态有关吧。Vector和list的表现可以说是不分伯仲，但我个人的观点是vector肯定要好一些，因为他的内存是连续的。

所以第三局，三者的表现各有千秋。

为了节省时间和空间，下面这个程序将系统测试后面的所有项目。然后根据具体的结果分析各个参赛选手的性能差异。

SequencePerformance.cpp

//: C04:SequencePerformance.cpp

// Comparing the performance of the basic

// sequence containers for various operations

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

using namespace std;

class FixedSize

{

int x[20];

// Automatic generation of default constructor,

// copy-constructor and operator=

} fs;

 

template

struct InsertBack

{

       void operator()(Cont& c, long count)

       {

              for(long i = 0; i < count; i++)

              c.push_back(fs);

       }

       char* testName() { return "InsertBack"; }

};

 

template

struct InsertFront

{

       void operator()(Cont& c, long count)

       {

              long cnt = count * 10;

              for(long i = 0; i < cnt; i++)

              c.push_front(fs);

       }

       char* testName() { return "InsertFront"; }

};

 

template

struct InsertMiddle

{

       void operator()(Cont& c, long count)

       {

              typename Cont::iterator it;

              long cnt = count / 10;

              for(long i = 0; i < cnt; i++)

              {

                     // Must get the iterator every time to keep

                     // from causing an access violation with

                     // vector. Increment it to put it in the

                     // middle of the container:

                     it = c.begin();

                     it++;

                     c.insert(it, fs);

              }

       }

       char* testName() { return "InsertMiddle"; }

};

 

template

struct RandomAccess

{ // Not for list

       void operator()(Cont& c, long count)

       {

              int sz = c.size();

              long cnt = count * 100;

              for(long i = 0; i < cnt; i++)

              c[rand() % sz];

       }

       char* testName() { return "RandomAccess"; }

};

 

template

struct Traversal

{

       void operator()(Cont& c, long count)

       {

              long cnt = count / 100;

              for(long i = 0; i < cnt; i++)

              {

                     typename Cont::iterator it = c.begin(),

                     end = c.end();

                     while(it != end) it++;

              }

       }

       char* testName() { return "Traversal"; }

};

 

template

struct Swap

{

       void operator()(Cont& c, long count)

       {

              int middle = c.size() / 2;

              typename Cont::iterator it = c.begin(),

              mid = c.begin();

              it++; // Put it in the middle

              for(int x = 0; x < middle + 1; x++)

              mid++;

              long cnt = count * 10;

              for(long i = 0; i < cnt; i++)

              swap(*it, *mid);

       }

       char* testName() { return "Swap"; }

};

 

template

struct RemoveMiddle

{

       void operator()(Cont& c, long count)

       {

              long cnt = count / 10;

              if(cnt > c.size())

              {

                     cout << "RemoveMiddle: not enough elements"

                     << endl;

                     return;

              }

              for(long i = 0; i < cnt; i++)

              {

                     typename Cont::iterator it = c.begin();

                     it++;

                     c.erase(it);

              }

       }

       char* testName() { return "RemoveMiddle"; }

};

 

template

struct RemoveBack

{

       void operator()(Cont& c, long count)

       {

              long cnt = count * 10;

              if(cnt > c.size())

              {

                     cout << "RemoveBack: not enough elements"

                     << endl;

                     return;

              }

              for(long i = 0; i < cnt; i++)

              c.pop_back();

       }

       char* testName() { return "RemoveBack"; }

};

 

template

void measureTime(Op f, Container& c, long count)

{

       string id(typeid(f).name());

       bool Deque = id.find("deque") != string::npos;

       bool List = id.find("list") != string::npos;

       bool Vector = id.find("vector") !=string::npos;

       string cont = Deque ? "deque" : List ? "list"

       : Vector? "vector" : "unknown";

       cout << f.testName() << " for " << cont << ": ";

       // Standard C library CPU ticks:

       clock_t ticks = clock();

       f(c, count); // Run the test

       ticks = clock() - ticks;

       cout << ticks << endl;

}      

 

typedef deque DF;

typedef list LF;

typedef vector VF;

 

int main(int argc, char* argv[])

{

       srand(time(0));

       long count = 1000;

      if(argc >= 2) count = atoi(argv[1]);

       DF deq;

       LF lst;

       VF vec, vecres;

       vecres.reserve(count); // Preallocate storage

       measureTime(InsertBack(), vec, count);

       measureTime(InsertBack(), vecres, count);

       measureTime(InsertBack(), deq, count);

       measureTime(InsertBack(), lst, count);

       // Can't push_front() with a vector:

       //! measureTime(InsertFront(), vec, count);

       measureTime(InsertFront(), deq, count);

       measureTime(InsertFront(), lst, count);

       measureTime(InsertMiddle(), vec, count);

       measureTime(InsertMiddle(), deq, count);

       measureTime(InsertMiddle(), lst, count);

       measureTime(RandomAccess(), vec, count);

       measureTime(RandomAccess(), deq, count);

       // Can't operator[] with a list:

       //! measureTime(RandomAccess(), lst, count);

       measureTime(Traversal(), vec, count);

       measureTime(Traversal(), deq, count);

       measureTime(Traversal(), lst, count);

       measureTime(Swap(), vec, count);

       measureTime(Swap(), deq, count);

       measureTime(Swap(), lst, count);

       measureTime(RemoveMiddle(), vec, count);

       measureTime(RemoveMiddle(), deq, count);

       measureTime(RemoveMiddle(), lst, count);

       vec.resize(vec.size() * 10); // Make it bigger

       measureTime(RemoveBack(), vec, count);

       measureTime(RemoveBack(), deq, count);

       measureTime(RemoveBack(), lst, count);

} ///:~

第四局 向前插入

 

vector弃权。他不支持push_front操作。

测试结果：

InsertFront for deque: 20000

InsertFront for list: 30000

Deque获胜。

Beyond_ml评论：毫不意外，deque的看家本领当然了得。

 

第五局 中间插入

测试结果：

InsertMiddle for vector: 40000

InsertMiddle for deque: 0

InsertMiddle for list: 0

Beyond_ml评论：难为vector了，在任何情况下，vector都不适合中间插入。同时我要为deque唱一把赞歌，能和list打成平手，实在了不起。

 

第六局 交换数据

测试结果：

Swap for vector: 0

Swap for deque: 10000

Swap for list: 20000

Beyond_ml评论：vector的集群优势非常适合作内存交换。

 

第七局 中间删除

测试结果：

RemoveMiddle for vector: 50000

RemoveMiddle for deque: 0

RemoveMiddle for list: 0

Beyond_ml评论：再次难为vector了，在任何情况下，vector同样不适合中间删除。同时我要再为deque唱一把赞歌，又list打成平手，实在了不起。

 

第八局 后部删除

测试结果:

RemoveBack for vector: 0

RemoveBack for deque: 0

RemoveBack for list: 20000

Beyond_ml评论：为vector和deque欢呼吧！十分的棒！。

 

来个总结吧。

比赛项目/参赛选手	Vector	Deque	List
内存管理	Poor	Good	perfect
使用[ ]和at() 操作访问数据	Very good	Normal	N/A
Iterator的访问速度	Good	Very good	Good
Push_back操作（后插入）	Good	Good	Good
Push_front操作（前插入）	N/A	Very good	Good
Insert（中间插入）	Poor	Perfect	Perfect
Erase（中间删除）	Poor	Perfect	Perfect
Pop_back（后部删除）	Perfect	Perfect	Normal
Swap（交换数据）	Perfect	Very good	Good
遍历	Perfect	Good	Normal

 

哦，好像结束了，其实没有，我们还有很多事可以作！例如在使用vector的时候，我们能预先reserve足够的空间，使用效率将成倍提高！另外，他们也并不是设计的一模一样，他们每一个都有自己独有的绝迹，如果能让他们充分发挥，你的程序想来也将上一个档次。让我们共同努力吧。