<c++> STL_deque

1.deque的使用

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：可以在头尾两端进行插入和 删除操作，且时间复杂度为O(1)，与vector比较，头插效率高，不需要搬移元素；与list比较，空间利用率比较高。

构造和析构

• std::deque<T>：创建一个存储类型为 T 的元素的双端队列。
• std::deque(const std::deque<T>& other)：复制构造函数，用另一个双端队列初始化当前队列。
• ~std::deque()：析构函数，释放内存。

示例：

#include <iostream>
#include <deque>int main() {// 创建一个存储整数的双端队列std::deque<int> myDeque;// 在队尾插入元素myDeque.push_back(10);myDeque.push_back(20);myDeque.push_back(30);// 复制构造一个新的双端队列std::deque<int> anotherDeque = myDeque;// 输出原始队列的内容std::cout << "Original deque content:";for (const int& value : myDeque) {std::cout << " " << value;}std::cout << std::endl;// 输出复制构造的队列的内容std::cout << "Copied deque content:";for (const int& value : anotherDeque) {std::cout << " " << value;}std::cout << std::endl;// 注意：析构函数会在作用域结束时自动调用，释放内存return 0;
}

容量相关

• size()：返回队列中元素的数量。
• empty()：检查队列是否为空。

示例：

#include <deque>
#include <iostream>int main() {std::deque<int> myDeque = {10, 20, 30, 40};std::cout << myDeque.size() << std::endl; //4std::cout << myDeque.empty() << std::endl;//0return 0;
}

• resize(new_size)：调整队列的大小。

void resize(size_type count); 
void resize(size_type count, const value_type& value);

• count：新的队列大小。
• value：在增加队列大小时用于填充新元素的默认值。

功能：

• 如果 count 小于当前队列的大小，resize 会移除尾部的元素，使队列的大小变为 count。
• 如果 count 大于当前队列的大小，resize 会在尾部插入足够数量的默认值为 value 的元素，使队列的大小变为 count。

示例：

#include <iostream>
#include <deque>int main() {std::deque<int> myDeque = {10, 20, 30};// 调整队列大小为 5，填充默认值 0myDeque.resize(5);for (const int& value : myDeque) {std::cout << " " << value;   // 10 20 30 0 0}std::cout << std::endl;// 调整队列大小为 3myDeque.resize(3);for (const int& value : myDeque) {std::cout << " " << value;  // 10 20 30}std::cout << std::endl;return 0;
}

元素访问

• at(index)：函数返回指定索引处的元素，并在访问之前进行范围检查。如果索引超出了双端队列的有效范围，将引发 std::out_of_range 异常。
• operator[](index)：运算符返回指定索引处的元素，但不进行范围检查。如果索引超出了有效范围，行为将是未定义的。
• front()：返回第一个元素的引用。
• back()：返回最后一个元素的引用。

示例：

#include <deque>
#include <iostream>int main() {// 创建一个存储字符串的双端队列std::deque<std::string> myDeque;// 在队尾插入元素myDeque.push_back("Alice");myDeque.push_back("Bob");myDeque.push_back("Charlie");// 使用 at(index) 进行范围安全的访问try {std::string value = myDeque.at(1);// 索引1处的元素是 "Bob"std::cout << value << std::endl;  //Bob} catch (const std::out_of_range &e) {std::cout << "Index is out of range." << std::endl;}// 使用 operator[](index) 进行不安全的访问std::string unsafeValue = myDeque[2];// 索引2处的元素是 "Charlie"std::cout << "不安全: " << unsafeValue << std::endl;// 使用 front() 访问第一个元素std::string firstElement = myDeque.front();std::cout << firstElement << std::endl;// 使用 back() 访问最后一个元素std::string lastElement = myDeque.back();   //Alicestd::cout << lastElement << std::endl;      //Charliereturn 0;
}

修改操作

• push_back(value)：在队尾插入一个元素。
• push_front(value)：在队首插入一个元素。
• pop_back()：移除队尾的元素。
• pop_front()：移除队首的元素。
• insert(pos, value)：在指定位置插入一个元素。
• erase(pos)：移除指定位置的元素。
• clear()：移除所有元素。

示例：

#include <deque>
#include <iostream>int main() {std::deque<int> myDeque;// 在队尾插入元素myDeque.push_back(10);myDeque.push_back(20);// 在队首插入元素myDeque.push_front(5);// 输出队列内容for (const int &value: myDeque) {std::cout << value << " ";//5 10 20}std::cout << std::endl;// 移除队尾的元素myDeque.pop_back();// 移除队首的元素myDeque.pop_front();// 输出队列内容for (const int &value: myDeque) {std::cout << value << " ";//10}std::cout << std::endl;// 在指定位置插入元素std::deque<int>::iterator it = myDeque.insert(myDeque.begin() + 1, 15);// 输出队列内容for (const int &value: myDeque) {std::cout << value << " ";//10 15}std::cout << std::endl;// 移除指定位置的元素myDeque.erase(it);// 输出队列内容for (const int &value: myDeque) {std::cout << value << " ";//10}std::cout << std::endl;// 清空队列myDeque.clear();if (myDeque.empty()) {std::cout << "Deque is empty.";} else {std::cout << "Deque is not empty.";}std::cout << std::endl;return 0;
}

迭代器

• begin() 和 end()：返回指向第一个元素和尾后元素的迭代器。

示例：

#include <iostream>
#include <deque>int main() {std::deque<int> myDeque = {10, 20, 30, 40};for (std::deque<int>::iterator it = myDeque.begin(); it != myDeque.end(); ++it) {std::cout << " " << *it;  //10 20 30 40}std::cout << std::endl;return 0;
}

• rbegin() 和 rend()：返回指向最后一个元素和首元素前一个位置的逆向迭代器。

示例：

#include <iostream>
#include <deque>int main() {std::deque<int> myDeque = {10, 20, 30, 40};for (std::deque<int>::reverse_iterator rit = myDeque.rbegin(); rit != myDeque.rend(); ++rit) {std::cout << " " << *rit;   //40 30 20 10}std::cout << std::endl;return 0;
}

2.deque的原理介绍

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的，实际deque类似于一个动态的二维数组，其底层结构如下图所示：

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，如下图所示：

那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？

3.deque的优缺点

与vector比较，deque的优势是：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，因此其效率是比vector高的。 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。 但是，deque有一个致命缺陷：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，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.为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

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，deque不仅效率高，而且内存使用率高。

结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。