【C++】deque双端队列

deque的原理介绍

1.deque(双端队列)：是一种双开口的“连续”空间的数据结构，双开口的含义是：在头尾两端都可以进行插入和删除操作，且时间复杂度为O(1)。

需要注意的是deque并不是真正连续的空间，不是像vector那样底层是连续空间的数组，而是由一段段连续的小空间拼接而成的，实际deque类似于一个动态的二维数组，为了管理分段空间，deque容器引入了map，称之为中控器，map是一块连续的空间，其中每个元素是指向缓冲区buffer的指针，缓冲区才是deque存储数据的主体，其底层结构如下图所示：

2.双端队列底层是一段假象的连续空间，实际上是分段连续的，为了维护其“整体连续”以及随机访问的假象，落在了deque的迭代器上，因此deque的迭代器就比较复杂，如下图所示：

中控器包含了map size,指向buffer的指针，deque的开始迭代器与结尾迭代器。

_Tp **_M_map;
size_t _M_map_size;
iterator _M_start;
iterator _M_finish;

deque的优点和缺陷

在了解deque双端队列的优缺点之前，我们先学习一下vector和list的优缺点，有助于更好的比对。

vector的优点：

• 尾插尾删效率很高
• 支持随机访问（利用下标访问）
• 相比链表结构。顺序表CPU高速缓存命中率更高（因为顺序表的底层由数组实现，物理地址是连续的）

vector的缺点：

• 头部和中部插入删除效率低（O(N)）
• 扩容：存在性能消耗和空间上的浪费

list的优点：

• 任意位置插入删除效率很高。(O(1))
• 按需申请和释放，优化了vector在空间上的浪费

list的缺点：

• CPU高速缓存的命中率不高（物理地址空间不连续）
• 不支持随机访问

deque的优点：

与vector比较，deque的优势是：头部插入删除时，不需要搬移元素，效率高，而且在扩容时，也不需要搬移大量的元素。因为deque在头部插入删除的时候，是直接在前面开一块空间（缓冲区buffer）插入元素的，尾插同理，在后面开空间。
与list比较，deque的底层是连续空间，空间利用率比较高，不需要存储额外的字段。

deque的缺点：

• 不适合遍历及排序
  因为在遍历时，deque的迭代器要频繁的去检测其是否移动到某段小空间的边界，导致效率低下**，并且deque的迭代器非常复杂，deque维护了两个迭代器，start指向第一个缓冲区的第一个元素，finish指向最后一个缓冲区的最后一个元素的下一个位置，cur指向迭代器所指缓冲区的当前元素，first指向迭代器所指缓冲区第一个元素，last指向迭代器所指缓冲区的最后一个元素，node指向中控，当cur等于last，说明本段空间已被使用完毕，通过node++找到中控数组中下一段内存空间的地址（见下图）。而序列式场景中，可能需要经常遍历，因此在实际中，需要线性结构时，大多数情况下优先考虑vector和list，deque的应用场景并不多，而目前能看到的一个应用就是，STL用其作为stack和queue的底层数据结构。

• 中间插入删除数据不如list
  从deque的底层结构图中可以看出，中间插入、删除数据仍会产生数据的挪动。

• 随机访问速度不如vector
  由于deque的中控数组中指向的一段地址空间之间并不连续，所以随机访问时需要计算目标数据处于哪段buffer中的第几个数据。计算方式与磁盘定位扇区类似（LBA地址转化为CHS地址）。

为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器？

1.stack和queue不需要遍历（因此stack和queue没有迭代器），只需要在固定的一端或者两端进行操作；
2.在stack和queue中，元素增长时，deque和vector相比，deque效率更高（扩容时不需要搬移大量数据），内存使用率更高。