<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。

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-tp0r6ALo-1693144180150)(C:\Users\32784\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20230827212550686.png)]$

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; //4
    std::cout << myDeque.empty() << std::endl;//0

    return 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 0
    myDeque.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 3
    myDeque.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();   //Alice
    std::cout << lastElement << std::endl;      //Charlie

    return 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：

在这里插入图片描述

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

那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？

在这里插入图片描述

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：