深入研究 STL Deque 容器

深入研究 STL Deque 容器

An In-Depth Study of the STL Deque Container(By Nitron)

翻译 masterlee

 

本文档深入分析了 std::deque ，并提供了一个指导思想：当考虑到内存分配和执行性能的时候，使用 std::deque 要比 std::vector 好。

 

介绍

本文深入地研究了 std::deque 容器。本文将讨论在一些情况下使用 deque 比 vector 更好。读完这篇文章后读者应该能够理解在容量增长的过程中 deque 与 vector 在内存分配和性能的不同表现。由于 deque 和 vector 的用法很相似，读者可以参考 vector 的文档中介绍如何使用 STL 容器。

 

Deque 总览

deque 和 vector 一样都是标准模板库中的内容， deque 是双端队列，在接口上和 vector 非常相似，在许多操作的地方可以直接替换。假如读者已经能够有效地使用 vector 容器，下面提供 deque 的成员函数和操作，进行对比参考。

 

Deque 成员函数

函数	描述
c.assign(beg,end) c.assign(n,elem)	将 [beg; end) 区间中的数据赋值给 c 。 将 n 个 elem 的拷贝赋值给 c 。
c.at(idx)	传回索引 idx 所指的数据，如果 idx 越界，抛出 out_of_range 。
c.back()	传回最后一个数据，不检查这个数据是否存在。
c.begin()	传回迭代器重的可一个数据。
c.clear()	移除容器中所有数据。
deque c deque c1(c2) Deque c(n) Deque c(n, elem) Deque c(beg,end) c.~deque()	创建一个空的 deque 。 复制一个 deque 。 创建一个 deque ，含有 n 个数据，数据均已缺省构造产生 。 创建一个含有 n 个 elem 拷贝的 deque 。 创建一个以 [beg;end) 区间的 deque 。 销毁所有数据，释放内存。
c.empty()	判断容器是否为空。
c.end()	指向迭代器中的最后一个数据地址。
c.erase(pos) c.erase(beg,end)	删除 pos 位置的数据，传回下一个数据的位置。 删除 [beg,end) 区间的数据，传回下一个数据的位置 。
c.front()	传回地一个数据。
get_allocator	使用构造函数返回一个拷贝。
c.insert(pos,elem) c.insert(pos,n,elem) c.insert(pos,beg,end)	在 pos 位置插入一个 elem 拷贝，传回新数据位置。 在 pos 位置插入 n 个 elem 数据。无返回值。 在 pos 位置插入在 [beg,end) 区间的数据。无返回值。
c.max_size()	返回容器中最大数据的数量。
c.pop_back()	删除最后一个数据。
c.pop_front()	删除头部数据。
c.push_back(elem)	在尾部加入一个数据。
c.push_front(elem)	在头部插入一个数据。
c.rbegin()	传回一个逆向队列的第一个数据。
c.rend()	传回一个逆向队列的最后一个数据的下一个位置。
c.resize(num)	重新指定队列的长度。
c.size()	返回容器中实际数据的个数。
C1.swap(c2) Swap(c1,c2)	将 c1 和 c2 元素互换。 同上操作。

 

Deque 操作

函数	描述
operator []	返回容器中指定位置的一个引用。

 

上面这些特征和 vector 明显相似，所以我们会提出下面的疑问。

 

问题：如果 deque 和 vector 可以提供相同功能的时候，我们使用哪一个更好呢？

回答：如果你要问的话，就使用 vector 吧。

或者你给个解释？

非常高兴你这样问，的确，这并不是无中生有的，事实上，在 C++ 标准里解释了这个问题，在 23.1.1 章节有下面一个片断：

vector 在默认情况下是典型的使用序列的方法，对于 deque ，当使用插入删除操作的时候是一个更好的选择。

有趣的是，本文就是要非常彻底地理解这句话。      

 

什么是新的？

细读上面两张表格，你会发现和 vector 比较这里增加了两个函数。

1 、 c.push_front(elem) —— 在头部插入一个数据。

2 、 c.pop_front() —— 删除头部数据。

调用方法和 c.push_back(elem) 和 c.pop_back() 相同，这些将来会告诉我们对于 deque 会非常有用， deque 可以在前后加入数据。

 

缺少了什么？

同时你也会发现相对于 vector 缺少了两个函数，你将了解到 deque 不需要它们。

1、   capacity() —— 返回 vector 当前的容量。

2、   reserve() —— 给指定大小的 vector 分配空间。

这里是我们真正研究的开始，这里说明 deque 和 vector 它们在管理内部存储的时候是完全不同的。 deque 是大块大块地分配内存，每次插入固定数量的数据。 vector 是就近分配内存（这可能不是一个坏的事情）。但我们应该关注是， vector 每次增加的内存足够大的时候，在当前的内存不够的情况。下面的实验来验证 deque 不需要 capacity() 和 reserve() 是非常有道理的。

 

实验一 —— 增长的容器

目的

目的是通过实验来观察 deque 和 vector 在容量增长的时候有什么不同。用图形来说明它们在分配内存和执行效率上的不同。

 

描述

这个实验的测试程序是从一个文件中读取文本内容，每行作为一个数据使用 push_back 插入到 deque 和 vector 中，通过多次读取文件来实现插入大量的数据，下面这个类就是为了测试这个内容：

# include # include # include # include   static enum modes {     FM_INVALID = 0,     FM_VECTOR,      FM_DEQUE    };      class CVectorDequeTest  {      public :       CVectorDequeTest();                void ReadTestFile( const char * szFile, int iMode)          {                  char buff[0xFFFF] = {0};           std::ifstream    inFile;           inFile.open(szFile);                     while (!inFile.eof())           {               inFile.getline(buff, sizeof(buff));                             if (iMode == FM_VECTOR)                       m_vData.push_back(buff);               else if (iMode == FM_DEQUE)                       m_dData.push_back(buff);           }                            inFile.close();                  }                  virtual ~CVectorDequeTest();     protected :          std::vector m_vData;          std::deque m_dData;  };

 

结果

测试程序运行的平台和一些条件：

CPU	1.8 GHz Pentium 4
内存	1.50 GB
操作系统	W2K-SP4
文件中的行数	9874
平均每行字母个数	1755.85
读文件的次数	45
总共插入的数据个数	444330

      

使用 Windows 任务管理器来记录执行效率，本程序中使用了 Laurent Guinnard 的 CDuration  类。消耗系统资源如下图：

 

注意在 vector 分配内存的最高峰， vector 在分配内存的时候是怎样达到最高值， deque 就是这样的，它在插入数据的同时，内存直线增长，首先 deque 的这种内存分配单元进行回收的话，存在意想不到的后果，我们希望它的分配内存看上去和 vector 一样，通过上面的测试我们需要进一步的测试，现提出一个假设：假设 deque 分配的内存不是连续的，一定需要释放和收回内存，我们将这些假设加入后面的测试中，但是首先让我们从执行的性能外表分析一下这个实验。

         究竟分配内存需要消耗多久？

         注意看下面这张图片， vector 在不插入数据的时候在进行寻求分配更多内存。

同时我们也注意到使用 push_back 插入一组数据消耗的时间，注意，在这里每插入一组数据代表着 9874 个串，平均每个串的长度是 1755.85 。

实验二—— vector::reserve()的资源

目的

      这个实验的目的是 vector 在加入大量数据之前调用 reserve() ，和 deque 进行比较，看它们的内存分配和执行效率怎么样？

 

描述

      本实验中的测试基本上和实验一相同，除了在测试类的构造函数中加入下面这行代码 :

m_vData.reserve(1000000);

 

结果

测试程序运行的平台和一些条件：

CPU	1.8 GHz Pentium 4
内存	1.50 GB
操作系统	W2K-SP4
文件中的行数	9874
平均每行字母个数	1755.85
读文件的次数	70
总共插入的数据个数	691180

使用 Windows 任务管理器来记录执行效率，本程序中使用了 Laurent Guinnard 的 CDuration   类。消耗系统资源如下图：

我们注意到 vector 不在需要分配花费多余的时间分配内存了，这是由于我们使用了 reserve() 对于所测试的 691180 个数据为我们每一次插入大量数据的时候保留了足够的内存空间，对于 deque 存储分配的假设，观察这个测试中的内存分配图形和上一个图形，我们需要进一步量化这个测试。

怎样改良内存分配的性能呢？

下面这个图例说明随着数据的增加，容量在增加：

当增加数据的时候对容量的增加在 vector 和 deque 执行效率基本一样，然而， vector 在插入数据的时候有一些零星的时间消耗，看下面的图例：

通过统计分析 vector 和 deque 在插入平均为 1755.85 长度的 9874 个数据所花费的时间，下面是总结的表格：

Vector	Deque
Mean 0.603724814 sec Maximum 0.738313000 sec Minimum 0.559959000 sec Std. Dev 0.037795736 sec 6-Sigma 0.226774416 sec	Mean 0.588021114 sec Maximum 0.615617000 sec Minimum 0.567503000 sec Std. Dev 0.009907800 sec 6-Sigma 0.059446800 sec

 

实验三——内存回收

目的

本实验是对假设 deque 分配的内存不是临近的，而且很难回收进行量化测试分析。

 

描述

在本实验中再次用到了实验一中的代码，在调用函数中加入记录增加数据执行的效率具体入下面操作：

for (xRun=0; xRun     {         df = new CVectorDequeTest;           elapsed_time = 0;         for (i=0; i         {             cout << "Deque - Run " << i << " of " <<                             NUMBER_OF_RUNS*xRun << "... ";             df->ReadTestFile("F://huge.csv",DF_DEQUE);               deque_data.push_back(datapoint());               deque_data.back().time_to_read = df->GetProcessTime();             elapsed_time += deque_data.back().time_to_read;               deque_data.back().elapsed_time = elapsed_time;               cout << deque_data.back().time_to_read << " seconds/n";         }           vnElements.push_back(df->GetDequeSize());           cout << "/n/nDeleting... ";           del_deque.Start();         delete df;         del_deque.Stop();           cout << del_deque.GetDuration()/1000000.0 << " seconds./n/n";           vTimeToDelete.push_back(del_deque.GetDuration()/1000000.0);     }

 

结果

本测试和上面两个实验在相同的平台上运行，除了插入的数据由 9874 到 691180 ，需要插入 70 次，下面图例显示了 deque 在插入数据的时候分配内存的情况，在 deque 里插入了平均每个长度为 1755.85 的字符串。

尽管从几个曲线图中看到的实际消耗时间不同，但些曲线图都精确到了 R²=95.15% 。所给的数据点都实际背离了下表中统计的曲线图数据 :

deque Results
Mean	0.007089269 sec
Maximum	11.02838496 sec
Minimum	-15.25901667 sec
Std. Dev	3.3803636 sec
6-Sigma	20.2821816 sec

 

在相同的情况下比较 vector 的结果是非常有意义的。下面图就是将 vector 和 deque 在相同的情况下分配内存消耗的时间比较图：

这些数据在这个测试中是 R²=82.12% 。这或许可以经过每个点反复运行得到更加优化，在这个问题中这些数据适当地标注了这些点，所给的数据点都实际背离了下表中统计的曲线图数据 :

vector Results
Mean	-0.007122715 sec
Maximum	0.283452127 sec
Minimum	-0.26724459 sec
Std. Dev	0.144572356 sec
6-Sigma	0.867434136 sec

 

实验四—— vector::insert() 和 deque::insert() 执行特点比较

目的

      deque 主张使用参数为常量的 insert() 。但怎么样能和 vector::insert() 比较一下呢？本实验的目的就是比较一下 vector::insert() 和 deque::insert() 的工作特点。      

 

描述

      在容器的容器多次插入数据，在这里可能不符合你的需求，既然这样你可以使用 insert() ，试验代码也和实验一基本一样，使用 insert() 代替 push_back() ，使用 insert( ) 来测试。

 

结果

      当插入常量给 deque 的时候，从下图可以看出和 vector 的对比来。

注意两张图片中时间轴的不同，这是将 61810 个数据插入到容器中。

实验五——读取容器的性能

目的

      这个实验将测试 vector::at(),vector::operator[],deque::at() 和 deque::operator[] 的性能。首先应该是 operator[] 比 at （） 效率要高，因为它不进行边界检查，同时也比较 vector 和 deque 。

 

描述

      这个实验将测试中的容器有 1000000 个类型为 std::string ，每个字符串长度为 1024 的数据，分别使用 at() 和 operator[] 这两个操作来访问容器容器的数据，测试它们运行的时间，这个测试执行 50 次，统计每次执行的结果。

 

结果

我们看到使用 vector 和 deque 访问容器中的数据，他们执行的性能差别很小，使用 operator[] 和 at() 访问数据的性能差别几乎可以忽略不计，下面是统计的结果：

vector::at() Mean 1.177088125 sec Maximum 1.189580000 sec Minimum 1.168340000 sec Std. Dev 0.006495193 sec 6-Sigma 0.038971158 sec	deque::at() Mean 1.182364375 sec Maximum 1.226860000 sec Minimum 1.161270000 sec Std. Dev 0.016362148 sec 6-Sigma 0.098172888 sec
vector::operator[] Mean 1.164221042 sec Maximum 1.192550000 sec Minimum 1.155690000 sec Std. Dev 0.007698520 sec 6-Sigma 0.046191120 sec	deque::operator[] Mean 1.181507292 sec Maximum 1.218540000 sec Minimum 1.162710000 sec Std. Dev 0.010275712 sec 6-Sigma 0.061654272 sec

 

结论

在这篇文章中我们覆盖了多种不同的情况来选择我们到底是该使用 vector 还是 deque 。让我们总结一下测试的结果看下面几个结论。

 

当执行大数据量的调用push_back()的时候，记住要调用vector::reserve()。

      在实验一中我们研究了 vector 和 deque 在插入数据的情况。通过这些假设，我们可以看出 deque 分配的空间是预先分配好的， deque 维持一个固定增长率，在 vector 实验中我们考虑到应该调用 vecor::reserve() . 然后在下面这个例子验证了我们的假设，在使用 vector 的时候调用 reserve() 能够膀子我们预先分配空间，这将是 vector 一个默认选择的操作。

 

当你分配很多内存单元的时候，记住使用deque回收内存要比vector消耗时间多。

      在实验三中我们探讨了 vector 和 deque 在回收非邻接内存块上的不同，分别证明了 vector 在分配内存的时候是线性增长，而 deque 是指数增长，同样， vector 要回收的内存比 deque 多的多，如果你循环调用了 push_back() ，那么 deque 将获取大量的内存，而且是临近的。我们通过测试发现在分配内存单元消耗的时间和 vector 的时间接近。

 

如果你计划使用insert()，或者需要pop_front()，那就使用deque。

      由于 vector 没有提供 pop_front() 函数，但在实验四的结果中可以看出没有 insert() 是非常好的 ， 同时也告诉我们为什么 deque 在 STL 类中要作为单独的一个类划分出来。

 

对于访问数据，vector::at()效率最高。

在实验五中统计的数据表示，所有访问数据方法的效率是非常接近的，但是 vector::at() 效率最高。这是因为最优的平衡图访问时间为最低的六个西格玛值。

 

最后

我希望本文能够带你认识 deque ，而且对它感兴趣或者一个启发，欢迎继续讨论关于 vector 和 deque 任何问题和内容。       

 

参考文献

Plauger, P.J. Standard C++ Library Reference. February, 2003. MSDN.

ISO/IEC 14882:1998(E). Programming Languages - C++. ISO and ANSI C++ Standard.

Schildt, Herbert. C++ from the Ground Up, Second Edition. Berkeley: 1998.

Sutter, Herb. More Exceptional C++. Indianapolis: 2002.