C++ ：STL中deque的原理

news2024/11/27 14:57:55

deque的结构类似于哈希表，使用一个指针数组存储固定大小的数组首地址，当数据分布不均匀时将指针数组内的数据进行偏移，桶不够用的时候会像vector一样扩容然后将之前数组中存储的指针拷贝过来，从原理可以看出deque的性能是非常高的，它不存咋像vector那样大规模的数据拷贝和大批量连续空间的需求同时也弥补了像list不支持随机访问的缺点，可以说deque集中了list和vector的大部分优点，当然缺点很致命在中间节点插入数据的时候会异常复杂，高效的前后端插入机制使得stack和queue都适配于deque。

vector动态数组

  • 支持随机访问
  • 可以自动扩容
  • 只支持末端插入

list双向链表

  • 不支持随机访问
  • 支持任意位置插入
  • 无需扩容

deque双端队列（vector< Array >）

  • 支持随机访问（伪随机）
  • 微量扩容
  • 支持前后端插入

看下面一段代码

#include<iostream>
#include<deque>
using namespace std;
struct T{~T(){cout<<"T析构";}}
void Add_head(deque<int>&q){
    q.push_front(1);
    cout<<&q.front()<<" "<<endl;
}

void Add_tail(deque<int>&q){
    q.push_back(1);
    cout<<&q.back()<<" "<<endl;
}

int main(){
    deque<int>q;
    for(int i=0;i<10;i++) Add_head(q);
    for(int i=0;i<10;i++) Add_tail(q);
}

在这里插入图片描述
从地址大概可以看出这个东西是一块一块的，块的大小是固定的，而且块内地址是连续的，想要获取更多的信息的话还要结合源码，网上有说deque是数组链表的，但如果简单的理解为链表的话就大错特错了，这么理解的话随机访问是实现不了的，我觉得理解为一种特殊的二维数组比较好。

下面看具体一些功能的实现

看下_Deque_val模板，_Block_size 表示单个数组元素个数，这里是根据元素的大小决定单个数组的大小，_Mapptr 是桶里面装一维数组的指针，_Mapsize桶的大小根据注释可以看到桶的扩容是指数级的，_Myoff存储偏移量，_Mysize存储元素个数
注意：这个偏移量是针对_Mapptr 的头部开始到当前元素的偏移量，此外单个数组的大小受限于数据大小，所以很多时候双端队列会表现的像维护在指针数组上的链表

// CLASS TEMPLATE _Deque_val
template <class _Val_types>
class _Deque_val : public _Container_base12 {
public:
    using value_type      = typename _Val_types::value_type;
    using size_type       = typename _Val_types::size_type;
    using difference_type = typename _Val_types::difference_type;
    using pointer         = typename _Val_types::pointer;
    using const_pointer   = typename _Val_types::const_pointer;
    using reference       = value_type&;
    using const_reference = const value_type&;
    using _Mapptr         = typename _Val_types::_Mapptr;
private:
    static constexpr size_t _Bytes = sizeof(value_type);
public:
    static constexpr int _Block_size =
        _Bytes <= 1 ? 16 : _Bytes <= 2 ? 8 : _Bytes <= 4 ? 4 : _Bytes <= 8 ? 2 : 1; // elements per block (a power of 2)
    _Deque_val() noexcept : _Map(), _Mapsize(0), _Myoff(0), _Mysize(0) {}
    size_type _Getblock(size_type _Off) const noexcept {
        // NB: _Mapsize and _Block_size are guaranteed to be powers of 2
        return (_Off / _Block_size) & (_Mapsize - 1);
    }
    _Mapptr _Map; // pointer to array of pointers to blocks
    size_type _Mapsize; // size of map array, zero or 2^N
    size_type _Myoff; // offset of initial element
    size_type _Mysize; // current length of sequence
};

这个是_Mapptr 这个桶的基类，可以看到使用的是二级指针，它的作用就是维护一种二维的结构，这时候可能好奇了它作为一个单独的模板是如何适配作为_Deque_val 模板类型的一部分的。

template <class _Ty>
struct _Deque_simple_types : _Simple_types<_Ty> {
    using _Mapptr = _Ty**;
};

这个适配器完成了适配工作，将多个类适配为一个类很大程度上提高了代码的可读性，使得代码可以更高的遵循开闭原则。

template <bool _Test, class _Ty1, class _Ty2>
struct conditional { // Choose _Ty1 if _Test is true, and _Ty2 otherwise
    using type = _Ty1;
};
template <class _Ty1, class _Ty2>
struct conditional<false, _Ty1, _Ty2> {
    using type = _Ty2;
};
template <bool _Test, class _Ty1, class _Ty2>
using conditional_t = typename conditional<_Test, _Ty1, _Ty2>::type;

deque中迭代器访问元素，使用偏移量获取存储的行和列。

_NODISCARD reference operator*() const noexcept {
        const auto _Mycont = static_cast<const _Mydeque*>(this->_Getcont());
#if _ITERATOR_DEBUG_LEVEL != 0
        _STL_VERIFY(_Mycont, "cannot dereference value-initialized deque iterator");
        _STL_VERIFY(_Mycont->_Myoff <= this->_Myoff && this->_Myoff < _Mycont->_Myoff + _Mycont->_Mysize,
            "cannot deference out of range deque iterator");
#endif // _ITERATOR_DEBUG_LEVEL != 0

        _Size_type _Block = _Mycont->_Getblock(_Myoff);
        _Size_type _Off   = _Myoff % _Block_size;
        return _Mycont->_Map[_Block][_Off];
    }

那么现在就有一个问题，如果插入元素时集中在头部或者尾部时它会直接扩容吗？带着问题接着分析。

首先看一下emplace_back函数

template <class... _Tys>
    void _Emplace_back_internal(_Tys&&... _Vals) {
        if ((_Myoff() + _Mysize()) % _Block_size == 0 && _Mapsize() <= (_Mysize() + _Block_size) / _Block_size) {
            _Growmap(1);
        }
        _Myoff() &= _Mapsize() * _Block_size - 1;
        size_type _Newoff = _Myoff() + _Mysize();
        size_type _Block  = _Getblock(_Newoff);
        if (_Map()[_Block] == nullptr) {
            _Map()[_Block] = _Getal().allocate(_Block_size);
        }
        _Alty_traits::construct(
            _Getal(), _Unfancy(_Map()[_Block] + _Newoff % _Block_size), _STD forward<_Tys>(_Vals)...);
        ++_Mysize();
    }

可以看到整体逻辑和vector差不多，emplace_front也差不多就不看了，因为站在函数角度它的不需要关注是头插还是尾插。
这里的策略依旧是可以插入时插入不能插入时进行处理，直接看扩容处理函数，和直接注释的一样，如果没有可插入的空间时桶的大小变为原来的二倍，然后将指针挪到新的数组的中间即可，偏移量这些重新计算，这个环节虽然看起来很麻烦但是注意这里是针对指针的而不是针对元素的，所以说效率还是蛮高的。

void _Growmap(size_type _Count) { // grow map by at least _Count pointers, _Mapsize() a power of 2
        static_assert(1 < _Minimum_map_size, "The _Xlen() test should always be performed.");
        _Alpty _Almap(_Getal());
        size_type _Newsize = 0 < _Mapsize() ? _Mapsize() : 1;
        while (_Newsize - _Mapsize() < _Count || _Newsize < _Minimum_map_size) {
            // scale _Newsize to 2^N >= _Mapsize() + _Count
            if (max_size() / _Block_size - _Newsize < _Newsize) {
                _Xlen(); // result too long
            }
            _Newsize *= 2;
        }
        _Count = _Newsize - _Mapsize();
        size_type _Myboff = _Myoff() / _Block_size;
        _Mapptr _Newmap   = _Almap.allocate(_Mapsize() + _Count);
        _Mapptr _Myptr    = _Newmap + _Myboff;
        _Myptr = _STD uninitialized_copy(_Map() + _Myboff, _Map() + _Mapsize(), _Myptr); // copy initial to end
        if (_Myboff <= _Count) { // increment greater than offset of initial block
            _Myptr = _STD uninitialized_copy(_Map(), _Map() + _Myboff, _Myptr); // copy rest of old
            _Uninitialized_value_construct_n_unchecked1(_Myptr, _Count - _Myboff); // clear suffix of new
            _Uninitialized_value_construct_n_unchecked1(_Newmap, _Myboff); // clear prefix of new
        } else { // increment not greater than offset of initial block
            _STD uninitialized_copy(_Map(), _Map() + _Count, _Myptr); // copy more old
            _Myptr = _STD uninitialized_copy(_Map() + _Count, _Map() + _Myboff, _Newmap); // copy rest of old
            _Uninitialized_value_construct_n_unchecked1(_Myptr, _Count); // clear rest to initial block
        }
        _Destroy_range(_Map() + _Myboff, _Map() + _Mapsize());
        if (_Map() != _Mapptr()) {
            _Almap.deallocate(_Map(), _Mapsize()); // free storage for old
        }
        _Map() = _Newmap; // point at new
        _Mapsize() += _Count;
    }

stack和queue其实都是deque的适配器类，下面举个例子

template<class T,class dq=deque<T>>
class stk{
protected:
    dq d;
public:
    void pop(){
        d.pop_back();
    }
    void push(const T& val){
        d.push_back(val);
    }
    const T& top()const{
        return d.back();
    }
};

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