C++STL~~deque

news2024/11/15 13:03:07

文章目录

- deque的概念
- deque的使用
- deque的练习
- 总结

deque的概念

deque(双端队列)：是一种序列容器、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。
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述
deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构

deque的使用

#include <iostream>
#include <deque>

int main() {
    // 创建一个整数类型的双端队列
    std::deque<int> myDeque;

    // 在尾部添加元素
    myDeque.push_back(10);
    myDeque.push_back(20);

    // 在头部添加元素
    myDeque.push_front(5);

    // 访问和打印元素
    std::cout << "Elements in the deque: ";
    for (const auto& element : myDeque) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 删除尾部元素
    myDeque.pop_back();

    // 删除头部元素
    myDeque.pop_front();

    // 再次打印元素
    std::cout << "Elements after pop operations: ";
    for (const auto& element : myDeque) {
        std::cout << element << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 通过索引访问元素
    std::cout << "The first element is: " << myDeque[0] << std::endl;

    return 0;
}

双端队列的基本操作，包括在两端添加和删除元素、遍历以及随机访问。通过这个例子，可以更好地理解deque容器的特性和用法，为在实际编程中使用双端队列提供了参考。

deque的练习

STL标准库中对于stack和queue的模拟实现
stack

#include<deque>
namespace TU
{
	template<class T, class Con = deque<T>>
	class stack
	{
	public:
		stack() 
		{
		}
		void push(const T& x) 
		{
			_c.push_back(x); 
		}
		void pop() 
		{
			_c.pop_back(); 
		}
		T& top() 
		{ 
			return _c.back(); 
		}
		const T& top()const 
		{ 
			return _c.back(); 
		}
		size_t size()const 
		{ 
			return _c.size(); 
		}
		bool empty()const 
		{ 
			return _c.empty(); 
		}
	private:
		Con _c;
	};
}

代码实现了一个简单的栈（stack）容器模板类。它使用了 C++ 的模板技术，可以存储不同类型的元素，并可以指定底层容器的类型（默认为deque）。

queue

#include<deque>
namespace TU
{
	template<class T, class Con = deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		queue() 
		{
		}
		void push(const T& x) 
		{ 
			_c.push_back(x); 
		}
		void pop() 
		{ 
			_c.pop_front(); 
		}
		T& back() 
		{ 
			return _c.back(); 
		}
		const T& back()const 
		{ 
			return _c.back(); 
		}
		T& front() 
		{ 
			return _c.front(); 
		}
		const T& front()const 
		{ 
			return _c.front(); 
		}
		size_t size()const 
		{ 
			return _c.size(); 
		}
		bool empty()const 
		{ 
			return _c.empty(); 
		}
	private:
		Con _c;
	};
}

代码定义了一个名为queue的类模板，实现了一个简单的队列数据结构。它使用了 C++ 的模板技术，可以存储不同类型的元素，并可以指定底层容器的类型（默认为deque）。这个队列支持基本的队列操作，如入队、出队、获取队首和队尾元素、查询队列大小和判断队列是否为空。

总结

deque的特点
1.两端高效操作

deque的主要优势在于可以在其前端和后端快速地插入和删除元素，时间复杂度均为常量级别。这使得它非常适合那些需要在队列两端频繁进行操作的场景，比如实现栈（在一端进行插入和删除）和队列（在两端分别进行插入和删除）的数据结构。

2.动态大小

与其他标准容器一样，deque可以根据需要自动调整其大小以容纳更多或更少的元素。它可以在运行时动态地增长或收缩，无需预先确定其最大容量。

3.随机访问

deque支持随机访问元素，就像数组一样。你可以使用下标运算符[]或迭代器在常量时间内访问任意位置的元素。这使得在需要随机访问元素的算法中，deque也能发挥作用。

4.内存布局

deque的内部实现通常由多个固定大小的缓冲区组成。这些缓冲区在逻辑上形成一个连续的序列，使得deque看起来像一个连续的容器。当需要在两端进行插入或删除操作时，deque可以根据情况在适当的缓冲区中进行操作，而不必像std::vector那样可能需要整体重新分配内存并移动元素。

deque的缺陷

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，因此其效率是必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。

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：

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。
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。

使用场景
1.实现栈和队列