C++之深入解析STL deque容器的底层实现原理

一、deque 容器的存储结构

• 事实上，STL 中每个容器的特性，和它底层的实现机制密切相关，deque 自然也不例外，deque 容器擅长在序列的头部和尾部添加或删除元素。
• 想搞清楚 deque 容器的实现机制，需要先了解 deque 容器的存储结构以及 deque 容器迭代器的实现原理。
• 和 vector 容器采用连续的线性空间不同，deque 容器存储数据的空间是由一段一段等长的连续空间构成，各段空间之间并不一定是连续的，可以位于在内存的不同区域。为了管理这些连续空间，deque 容器用数组（数组名假设为 map）存储着各个连续空间的首地址。也就是说，map 数组中存储的都是指针，指向那些真正用来存储数据的各个连续空间。如下所示：

• 通过建立 map 数组，deque 容器申请的这些分段的连续空间就能实现“整体连续”的效果。换言之，当 deque 容器需要在头部或尾部增加存储空间时，它会申请一段新的连续空间，同时在 map 数组的开头或结尾添加指向该空间的指针，由此该空间就串接到了 deque 容器的头部或尾部。
• 可能你会问，如果 map 数组满了怎么办？很简单，再申请一块更大的连续空间供 map 数组使用，将原有数据（很多指针）拷贝到新的 map 数组中，然后释放旧的空间。
• deque 容器的分段存储结构，提高了在序列两端添加或删除元素的效率，但也使该容器迭代器的底层实现变得更复杂。

二、deque 容器迭代器的底层实现

• 由于 deque 容器底层将序列中的元素分别存储到不同段的连续空间中，因此要想实现迭代器的功能，必须先解决如下两个问题：
• • 迭代器在遍历 deque 容器时，必须能够确认各个连续空间在 map 数组中的位置；
• • 迭代器在遍历某个具体的连续空间时，必须能够判断自己是否已经处于空间的边缘位置；如果是，则一旦前进或者后退，就需要跳跃到上一个或者下一个连续空间中。
• 为了实现遍历 deque 容器的功能，deque 迭代器定义如下的结构：

template<class T,...>
struct __deque_iterator{
    ...
    T* cur;
    T* first;
    T* last;
    map_pointer node;//map_pointer 等价于 T**
}

• 可以看到，迭代器内部包含 4 个指针，它们各自的作用为：
• • cur：指向当前正在遍历的元素；
• • first：指向当前连续空间的首地址；
• • last：指向当前连续空间的末尾地址；
• • node：它是一个二级指针，用于指向 map 数组中存储的指向当前连续空间的指针。
• 借助这四个指针，deque 迭代器对随机访问迭代器支持的各种运算符进行了重载，能够对 deque 分段连续空间中存储的元素进行遍历。例如：

// 当迭代器处于当前连续空间边缘的位置时，如果继续遍历，就需要跳跃到其它的连续空间中，该函数可用来实现此功能
void set_node(map_pointer new_node) {
    node = new_node;	// 记录新的连续空间在 map 数组中的位置
    first = *new_node;  // 更新 first 指针
    // 更新 last 指针，difference_type(buffer_size())表示每段连续空间的长度
    last = first + difference_type(buffer_size());
}
// 重载 * 运算符
reference operator*() const{return *cur;}
pointer operator->() const{return &(operator *());}
// 重载前置 ++ 运算符
self & operator++() {
    ++cur;
    // 处理 cur 处于连续空间边缘的特殊情况
    if(cur == last) {
        // 调用该函数，将迭代器跳跃到下一个连续空间中
        set_node(node+1);
        // 对 cur 重新赋值
        cur = first;
    }
    return *this;
}
// 重置前置 -- 运算符
self& operator--() {
    // 如果 cur 位于连续空间边缘，则先将迭代器跳跃到前一个连续空间中
    if(cur == first){
        set_node(node-1);
        cur == last;
    }
    --cur;
    return *this;
}

三、deque 容器的底层实现

• 了解了 deque 容器底层存储序列的结构，以及 deque 容器迭代器的内部结构之后，那么来看看 deque 容器究竟是如何实现的。
• deque 容器除了维护先前讲过的 map 数组，还需要维护 start、finish 这 2 个 deque 迭代器。如下所示，为 deque 容器的定义：

// _Alloc为内存分配器
template<class _Ty,
    class _Alloc = allocator<_Ty>>
class deque{
    ...
protected:
    iterator start;
    iterator finish;
    map_pointer map;
...
}

• 其中，start 迭代器记录着 map 数组中首个连续空间的信息，finish 迭代器记录着 map 数组中最后一个连续空间的信息。另外需要注意的是，和普通 deque 迭代器不同，start 迭代器中的 cur 指针指向的是连续空间中首个元素；而 finish 迭代器中的 cur 指针指向的是连续空间最后一个元素的下一个位置。
• 因此，deque 容器的底层实现如下所示：

• 借助 start 和 finish，以及 deque 迭代器中重载的诸多运算符，就可以实现 deque 容器提供的大部分成员函数，比如：

// begin() 成员函数
iterator begin() {
	return start;
}
// end() 成员函数
iterator end() { 
	return finish;
}
// front() 成员函数
reference front() {
	return *start;
}
// back() 成员函数
reference back(){
    iterator tmp = finish;
    --tmp;
    return *tmp;
}
// size() 成员函数
size_type size() const {
	return finish - start;
} // deque迭代器重载了 - 运算符
// enpty() 成员函数
bool empty() const {
	return finish == start;
}