STL源码剖析——deque的实现原理和使用方法详解

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Deque 简介

    deque是“double—ended queue”的缩写,和vector一样都是STL的容器,deque 是双端数组,而 vector 是单端的。

    deque 在接口上和 vector 非常相似,在许多操作的地方可以直接替换。

    deque 可以随机存取元素(支持索引值直接存取,用[]操作符或at()方法,这个等下会详讲)。

    deque 头部和尾部添加或移除元素都非常快速。但是在中部安插元素或移除元素比较费时。

    使用时需要包含头文件 #include<deque>

Deque 实现原理

  deque 的中控器

    deque是连续空间(至少逻辑上看来如此),连续线性空间总令我们联想到array或vector。array无法成长,vector虽可成长,却只能向尾端成长,而且其所谓的成长原是个假象,事实上是(1)另觅更大空间;(2)将原数据复制过去;(3)释放原空间三部曲。如果不是vector每次配置新空间时都有留下一些余裕,其成长假象所带来的代价将是相当高昂。

    deque系由一段一段的定量连续空间构成一旦有必要在deque的前端或尾端增加新空间,便配置一段定量连续空间,串接在整个deque的头端或尾端。deque的最大任务,便是在这些分段的定量连续空间上,维护其整体连续的假象,并提供随机存取的接口。避开了“重新配置、复制、释放”的轮回,代价则是复杂的迭代器架构。

    受到分段连续线性空间的字面影响,我们可能以为deque的实现复杂度和vector相比虽不中亦不远矣,其实不然。主要因为,既是分段连续线性空间,就必须有中央控制,而为了维持整体连续的假象,数据结构的设计及迭代器前进后退等操作都颇为繁琐。deque的实现代码分量远比vector或list都多得多。

    deque采用一块所谓的map(注意,不是STL的map容器)作为主控。这里所谓map是一小块连续空间,其中每个元素(此处称为一个节点,node)都是指针,指向另一段(较大的)连续线性空间,称为缓冲区。缓冲区才是deque的储存空间主体。SGI STL 允许我们指定缓冲区大小,默认值0表示将使用512 bytes 缓冲区。

    deque的整体架构如下图所示:

    

  deque 的迭代器

    让我们思考一下,deque的迭代器应该具备什么结构,首先,它必须能够指出分段连续空间(亦即缓冲区)在哪里,其次它必须能够判断自己是否已经处于其所在缓冲区的边缘,如果是,一旦前进或后退就必须跳跃至下一个或上一个缓冲区。为了能够正确跳跃,deque必须随时掌握管控中心(map)。所以在迭代器中需要定义:当前元素的指针,当前元素所在缓冲区的起始指针,当前元素所在缓冲区的尾指针,指向map中指向所在缓区地址的指针,分别为cur, first, last, node

    指针结构如下图所示:

    

    在上面介绍中我们大致了解了deque 的基本概念和实现原理,现在我就开始介绍如何使用 deque。

deque 对象的默认构造

    deque 采用模板类实现,deque 对象的默认构造形式:deque<T> dequeT   

deque<int> deqInt;            //一个存放int的deque容器。
deque<float> deqFloat;       //一个存放float的deque容器。
deque<string> deqString;     //一个存放string的deque容器。
...				    
    尖括号内还可以设置指针类型或自定义类型。

deque 元素添加移除操作

deque.push_back(elem);	     //在容器尾部添加一个数据
deque.push_front(elem);	    //在容器头部插入一个数据
deque.pop_back();    		//删除容器最后一个数据
deque.pop_front();	     	//删除容器第一个数据
    示例代码: 

	deque<int> deqInt;
	deqInt.push_back(1);
	deqInt.push_back(3);
	deqInt.push_back(5);
	deqInt.push_back(7);
	deqInt.push_back(9);
	deqInt.pop_front();
	deqInt.pop_front();
	deqInt.push_front(11);
	deqInt.push_front(13);
	deqInt.pop_back();
	deqInt.pop_back();
	
       //deqInt  { 13,11,5}
deque 的数据存取   

deque.at(idx);    //返回索引idx所指的数据,如果idx越界,抛出out_of_range。
deque[idx];      //返回索引idx所指的数据,如果idx越界,不抛出异常,直接出错。
deque.front();   //返回第一个数据。
deque.back();    //返回最后一个数据
    示例代码: 

	deque<int> deqInt;
	deqInt.push_back(1);
	deqInt.push_back(3);
	deqInt.push_back(5);
	deqInt.push_back(7);
	deqInt.push_back(9);

	int iA = deqInt.at(0);		//1
	int iB = deqInt[1];		//3
	deqInt.at(0) = 99;		//99
	deqInt[1] = 88;			//88

	int iFront = deqInt.front();	//99
	int iBack = deqInt.back();		//9
	deqInt.front() = 77;			//77
	deqInt.back() = 66;			//66
deque 与迭代器   

deque.begin();  //返回容器中第一个元素的迭代器。
deque.end();  //返回容器中最后一个元素之后的迭代器。
deque.rbegin();  //返回容器中倒数第一个元素的迭代器。
deque.rend();   //返回容器中倒数最后一个元素之后的迭代器。
    示例代码:  

	deque<int> deqInt;
	deqInt.push_back(1);
	deqInt.push_back(3);
	deqInt.push_back(5);
	deqInt.push_back(7);
	deqInt.push_back(9);

	for (deque<int>::iterator it=deqInt.begin(); it!=deqInt.end(); ++it)
	{
		cout << *it;
		cout << "";
	}
	// 1 3 5 7 9

	for (deque<int>::reverse_iterator rit=deqInt.rbegin(); rit!=deqInt.rend(); ++rit)
	{
		cout << *rit;
		cout << "";
	}
	//9 7 5 3 1
deque 对象的带参数构造   

deque(beg,end);    //构造函数将[beg, end)区间中的元素拷贝给本身。注意该区间是左闭右开的区间。
deque(n,elem);   //构造函数将n个elem拷贝给本身。
deque(const deque &deq);  //拷贝构造函数。
    示例代码:

	deque<int> deqIntA;
	deqIntA.push_back(1);
	deqIntA.push_back(3);
	deqIntA.push_back(5);
	deqIntA.push_back(7);
	deqIntA.push_back(9);

	deque<int> deqIntB(deqIntA.begin(),deqIntA.end());	//1 3 5 7 9
	deque<int> deqIntC(5,8);			//8 8 8 8 8
	deque<int> deqIntD(deqIntA);			//1 3 5 7 9
deque 的赋值

deque.assign(beg,end);   //将[beg, end)区间中的数据拷贝赋值给本身。注意该区间是左闭右开的区间。
deque.assign(n,elem);  //将n个elem拷贝赋值给本身。
deque& operator=(const deque &deq);	//重载等号操作符 
deque.swap(deq);  // 将deq与本身的元素互换
    示例代码:   
	deque<int> deqIntA,deqIntB,deqIntC,deqIntD;
	deqIntA.push_back(1);
	deqIntA.push_back(3);
	deqIntA.push_back(5);
	deqIntA.push_back(7);
	deqIntA.push_back(9);

	deqIntB.assign(deqIntA.begin(),deqIntA.end());	// 1 3 5 7 9
		
	deqIntC.assign(5,8);		//8 8 8 8 8

	deqIntD = deqIntA;		//1 3 5 7 9

	deqIntC.swap(deqIntD);		//互换
deque 的大小

deque.size();	   //返回容器中元素的个数
deque.empty();	   //判断容器是否为空

deque.resize(num);   //重新指定容器的长度为num,若容器变长,则以默认值填充新位置。
					//如果容器变短,则末尾超出容器长度的元素被删除。
					
deque.resize(num, elem);  //重新指定容器的长度为num,若容器变长,则以elem值填充新位置。
						//如果容器变短,则末尾超出容器长度的元素被删除。
    示例代码:   
	deque<int> deqIntA;
	deqIntA.push_back(1);
	deqIntA.push_back(3);
	deqIntA.push_back(5);

	int iSize = deqIntA.size();  //3

	if (!deqIntA.empty())
	{
		deqIntA.resize(5);	//1 3 5 0 0
		deqIntA.resize(7,1);	//1 3 5 0 0 1 1
		deqIntA.resize(2);	//1 3
	}
deque 的插入

deque.insert(pos,elem);   //在pos位置插入一个elem元素的拷贝,返回新数据的位置。
deque.insert(pos,n,elem);   //在pos位置插入n个elem数据,无返回值。
deque.insert(pos,beg,end);   //在pos位置插入[beg,end)区间的数据,无返回值。
    示例代码: 

	deque<int> deqA;
	deque<int> deqB;

	deqA.push_back(1);
	deqA.push_back(3);
	deqA.push_back(5);
	deqA.push_back(7);
	deqA.push_back(9);

	deqB.push_back(2);
	deqB.push_back(4);
	deqB.push_back(6);
	deqB.push_back(8);
	
	deqA.insert(deqA.begin(), 11);		
	//{11, 1, 3, 5, 7, 9}
	deqA.insert(deqA.begin()+1,2,33);		
	//{11,33,33,1,3,5,7,9}
	deqA.insert(deqA.begin() , deqB.begin() , deqB.end() );	
	//{2,4,6,8,11,33,33,1,3,5,7,9}
deque 的删除   

deque.clear();	//移除容器的所有数据
deque.erase(beg,end);  //删除[beg,end)区间的数据,返回下一个数据的位置。
deque.erase(pos);    //删除pos位置的数据,返回下一个数据的位置。
    示例代码:

假设 deqInt 包含1,3,2,3,3,3,4,3,5,3,删除容器中等于3的元素
for(deque<int>::iterator it=deqInt.being(); it!=deqInt.end(); )    //小括号里不需写  ++it
{
   if(*it == 3)
   {
        it  =  deqInt.erase(it);      //以迭代器为参数,删除元素3,并把数据删除后的下一个元素位置返回给迭代器。
         //此时,不执行  ++it;  
   }
   else
   {
       ++it;
   }
}

//删除deqInt的所有元素
deqInt.clear();		//容器为空

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