【C++】-- STL容器适配器之底层deque浅析

目录

一、deque的使用 

二、deque的原理

1.deque的结构 

 2.deque的底层结构

（1） deque底层空间

 （2）deque如何支持随机访问

（3）deque迭代器 

 3.deque的缺点

（1）deque的优势

（2）deque致命缺陷

4.deque作为stack和queue的底层默认容器的原因

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一、deque的使用 

在【C++】-- STL容器适配器之stack一文中介绍了容器适配器的概念，容器适配器是一个封装了序列容器的类模板，对容器进行了转换，转换成栈的后进先出和队列的先进先出的等模板。

虽然stack和queue中也可以存放元素，但在STL中并没有将其划分在容器的行列，而是将其称为容器适配器，这是因为stack和队列只是对其他容器的接口进行了包装，STL中stack和queue默认使用deque作为容器:

class template
std::stack
template  > class stack;

class template
std::queue
template  > class queue;

那么deque到底是什么呢？有什么优势使得stack和queue都以它作为底层默认容器，对它进行包装，让stack和queue变成容器适配器的呢？

二、deque的原理

1.deque的结构 

deque作为双端队列，是一种双开口的连续空间的数据结构 ，双开口即可以在头尾两端进行插入和删除，并且时间复杂度为O(1)，有没有发现结合了vector和list的优点：

（1）与vector相比，头插O(1)，不需要挪动元素

（2）与list相比，连续存储，空间利用率高

 2.deque的底层结构

（1） deque底层空间

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，实际deque类似于一个动态的二维数组，其底层结构如下：

中控指针数组中存放的是指向缓冲区buffer的指针，是动态开辟的二维数组，先malloc一个指针数组，指针数组的每个位置存放一维数组buffer的地址。当deque不断开buffer时，map中控指针数组满了，那么会增容，不过map增容的代价非常低，因为只需要拷贝存储数据的buffer数组的指针，不需要拷贝buffer中的内容。

如果要计算要访问的元素在第几个buffer里面，每个buffer固定大小，i/buffer.size()+1算出在第几个buffer中，i%buffer.size()算出是buffer中的第几个元素。

（2）deque如何支持随机访问

双端队列底层是一段假象的连续空间，实际是分段连续的，为了维护其“整体连续”以及随机访问的假象，落在了deque的迭代器身上，因此deque的迭代器设计就比较复杂：

（3）deque迭代器 

那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？ 如果一个buffer走完了，如何走到下一个buffer的位置呢？用node++来控制，node反向指向map当中当前buffer的位置，那么node++就指向下一个node的位置，解引用就是下一个buffer的位置。

node并不是从第一个位置就开始存放的，从中间开始存放，那么头插就还有空余位置。

 3.deque的缺点

deque适合头尾插入删除，不适合随机访问，不适合大量中间插入删除，由于它结合了vector和list的特性

所以其优缺点也跟vector和list相关。

（1）deque的优势

① 与vector比较：头部插入和删除时，不需要搬移元素，效率特别高，而且在扩容时，也不需要搬移大量的元素，因此其效率是必vector高的。
② 与list比较：其底层是连续空间，空间利用率比较高，不需要存储额外字段。

（2）deque致命缺陷

不适合遍历，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，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的应用并不多，不适合大量的头部和中间插入删除，也不适合大量的随机访问。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。

4.deque作为stack和queue的底层默认容器的原因

stack是一种后进先出的特殊线性数据结构，因此只要具有push_back()和pop_back()操作的线性结构，都可 以作为stack的底层容器，比如vector和list都可以；queue是先进先出的特殊线性数据结构，只要具有 push_back和pop_front操作的线性结构，都可以作为queue的底层容器，比如list。但是STL中对stack和 queue默认选择deque作为其底层容器，主要是因为：

（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中元素增长时，deque比vector的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)；queue中的元素增长时，使用deque作为底层默认容器，不仅效率高，而且内存使用率高。

stack和queue结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。