C++中的deque详解

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1. 引言

在C++标准模板库(STL)中，deque（双端队列）是一个非常重要的容器，它支持在序列的两端进行快速插入和删除操作。与vector不同，deque不需要在内存中连续存储元素，因此它对于需要在序列中间进行大量插入和删除操作的情况更为高效。本文将详细介绍deque的使用方法、特性以及提供示例代码。

2. deque的基本特性

2.1 容器特性

• 动态数组：deque可以看作是一个动态数组，其大小可以在运行时改变。
• 双端操作：在deque的头部和尾部插入或删除元素的时间复杂度都是O(1)。
• 非连续存储：与vector不同，deque的元素不一定在内存中连续存储。这使得deque在序列中间插入或删除元素时更加高效。

2.2 迭代器

deque提供了随机访问迭代器，支持使用[]操作符和at()函数来访问元素。同时，也支持使用迭代器进行遍历和修改元素。

2.3 成员函数

deque提供了丰富的成员函数，用于执行各种操作，如插入、删除、修改和查找元素。

3. deque的基本操作

3.1 创建和初始化

#include <iostream> #include <deque> int main() { 
    // 创建一个空的deque std::deque<int> intDeque; // 创建一个包含初始元素的deque std::deque<int> intDeque2 = { 
   1, 2, 3, 4, 5}; // 使用迭代器初始化deque std::deque<int> intDeque3(intDeque2.begin(), intDeque2.end()); return 0; } 

3.2 插入元素

int main() { 
    std::deque<int> intDeque; // 在尾部插入元素 intDeque.push_back(1); // 在头部插入元素 intDeque.push_front(0); // 在指定位置插入元素 intDeque.insert(intDeque.begin() + 1, 2); // 使用迭代器范围插入元素 std::deque<int> temp = { 
   3, 4}; intDeque.insert(intDeque.end(), temp.begin(), temp.end()); return 0; } 

3.3 删除元素

int main() { 
    std::deque<int> intDeque = { 
   0, 1, 2, 3, 4}; // 删除尾部元素 intDeque.pop_back(); // 删除头部元素 intDeque.pop_front(); // 删除指定位置的元素 intDeque.erase(intDeque.begin() + 1); // 使用迭代器范围删除元素 intDeque.erase(intDeque.begin() + 1, intDeque.end() - 1); return 0; } 

3.4 访问元素

int main() { 
    std::deque<int> intDeque = { 
   0, 1, 2, 3, 4}; // 使用下标访问元素 std::cout << "Element at index 2: " << intDeque[2] << std::endl; // 使用at函数访问元素（更安全，会检查索引是否越界） std::cout << "Element at index 3: " << intDeque.at(3) << std::endl; // 使用迭代器访问元素 for (std::deque<int>::iterator it = intDeque.begin(); it != intDeque.end(); ++it) { 
    std::cout << *it << " "; } std::cout << std::endl; // 使用范围for循环访问元素 for (int val : intDeque) { 
    std::cout << val << " "; } std::cout << std::endl; return 0; } 

3.5 修改元素

int main() { 
    std::deque<int> intDeque = { 
   0, 1, 2, 3, 4}; // 使用下标修改元素 intDeque[2]= 10; // 使用迭代器修改元素 for (std::deque<int>::iterator it = intDeque.begin(); it != intDeque.end(); ++it) { 
    if (*it == 10) { 
    *it = 20; // 假设我们要将第一个找到的10修改为20 break; // 找到后退出循环 } } // 使用范围for循环和引用修改元素 for (int& val : intDeque) { 
    if (val == 20) { 
    val = 30; // 假设我们要将第一个找到的20修改为30 break; // 找到后退出循环 } } // 打印修改后的deque for (int val : intDeque) { 
    std::cout << val << " "; } std::cout << std::endl; return 0; } 

3.6 查找元素

#include <algorithm> // 需要包含这个头文件来使用std::find int main() { 
    std::deque<int> intDeque = { 
   0, 1, 2, 3, 4}; // 使用std::find查找元素 auto it = std::find(intDeque.begin(), intDeque.end(), 3); if (it != intDeque.end()) { 
    std::cout << "Element found at: " << std::distance(intDeque.begin(), it) << std::endl; } else { 
    std::cout << "Element not found." << std::endl; } return 0; } 

3.7 其他成员函数

deque还提供了许多其他有用的成员函数，如size()（返回元素数量）、empty()（检查deque是否为空）、clear()（清除所有元素）、resize()（改变deque的大小）等。

4. deque的内存管理

deque的内存管理是其与vector的主要区别之一。deque由多个连续的内存块组成，这些内存块之间通过指针或引用相互连接。当在deque的两端插入或删除元素时，只需要调整相应内存块的指针或引用，而不需要像vector那样重新分配整个内存块并复制元素。这使得deque在两端进行插入和删除操作时效率更高。

5. deque的应用场景

deque适用于需要在序列两端进行大量插入和删除操作的情况。例如，在滑动窗口算法中，我们需要维护一个固定大小的窗口，并在窗口滑动时更新窗口中的元素。使用deque可以方便地在窗口的两侧添加和移除元素。此外，deque还可以用于实现循环队列、双端队列等数据结构。

6. deque的性能考虑

虽然deque在两端插入和删除操作上效率很高，但在某些情况下，其性能可能不如vector或list。例如，当需要在deque的中间频繁地插入或删除元素时，由于deque内部结构的复杂性，这些操作可能会比vector或list慢。此外，由于deque不保证在内存中连续存储元素，因此它可能无法像vector那样有效地利用缓存。

因此，在选择使用deque时，需要考虑具体的应用场景和性能需求。如果主要操作是在序列的两端进行，那么deque是一个很好的选择。但是，如果需要在序列中间进行大量插入和删除操作，或者需要高效地利用缓存，那么可能需要考虑使用其他容器类型。

7. deque的迭代器失效问题

与vector和list一样，deque的迭代器也可能在容器修改操作后失效。当使用迭代器遍历deque并同时修改它（例如，通过迭代器删除元素）时，需要特别小心。一旦迭代器失效，继续使用它可能会导致未定义的行为。

为了避免迭代器失效问题，可以使用deque的成员函数（如erase()）来删除元素，并返回指向下一个有效元素的迭代器。这样，就可以在遍历过程中安全地删除元素。

8. deque的扩展用法

除了基本的插入、删除、访问和修改操作外，deque还可以与其他STL算法结合使用，以实现更复杂的操作。例如，可以使用std::sort()算法对deque中的元素进行排序，或者使用std::unique()算法去除deque中的重复元素。

此外，deque还可以作为其他STL容器的元素类型。例如，可以创建一个包含deque<int>的vector，以实现二维动态数组的功能。这种用法在需要灵活处理多维数据结构时非常有用。

9. 示例代码：使用deque实现滑动窗口算法

下面是一个使用deque实现滑动窗口算法的示例代码：

#include <iostream> #include <deque> #include <vector> std::vector<int> maxSlidingWindow(std::vector<int>& nums, int k) { 
    std::vector<int> result; std::deque<int> dq; for (int i = 0; i < nums.size(); ++i) { 
    // 维护一个单调递减的deque，存储当前窗口内的最大值索引 while (!dq.empty() && nums[dq.back()] < nums[i]) { 
    dq.pop_back(); } dq.push_back(i); // 如果deque的头部索引已经超出当前窗口范围，则移除 if (dq.front() == i - k) { 
    dq.pop_front(); } // 当窗口大小达到k时，将当前窗口的最大值加入结果集 if (i >= k - 1) { 
    result.push_back(nums[dq.front()]); } } return result; } int main() { 
    std::vector<int> nums = { 
   1, 3, -1, -3, 5, 3, 6, 7}; int k = 3; std::vector<int> result = maxSlidingWindow(nums, k); for (int val : result) { 
    std::cout << val << " "; } std::cout << std::endl; return 0; } 

这个示例展示了如何使用deque实现一个滑动窗口算法，该算法可以找到给定数组的每个大小为k的子数组中的最大值。通过使用deque来维护一个单调递减的索引队列，我们可以在O(n)的时间复杂度内解决这个问题。

10. deque与其他STL容器的交互

deque可以与其他STL容器（如vector, list, set, map等）进行交互，这主要得益于STL的通用性和容器间的兼容性。例如，你可以将deque中的元素复制到vector中，或者将list中的元素插入到deque中。

下面是一个简单的示例，展示了如何将deque中的元素复制到vector中：

#include <iostream> #include <deque> #include <vector> int main() { 
    std::deque<int> intDeque = { 
   1, 2, 3, 4, 5}; std::vector<int> intVector(intDeque.begin(), intDeque.end()); // 打印vector中的元素 for (int val : intVector) { 
    std::cout << val << " "; } std::cout << std::endl; return 0; } 

同样地，你也可以使用std::insert_iterator或std::back_inserter等迭代器适配器，将deque中的元素插入到list或其他容器中。

11. 自定义deque元素类型

deque可以容纳任何类型的元素，包括自定义类型。你可以定义自己的类或结构体，并将其对象存储在deque中。只需确保自定义类型满足可复制和可赋值的要求，以便在deque中进行元素的插入、删除和移动操作。

下面是一个简单的示例，展示了如何将自定义类型的对象存储在deque中：

#include <iostream> #include <deque> struct Person { 
    std::string name; int age; Person(const std::string& n, int a) : name(n), age(a) { 
   } // 输出Person对象的信息 void print() const { 
    std::cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << std::endl; } }; int main() { 
    std::deque<Person> peopleDeque; peopleDeque.emplace_back("Alice", 25); peopleDeque.emplace_back("Bob", 30); // 遍历deque并打印每个人的信息 for (const Person& person : peopleDeque) { 
    person.print(); } return 0; } 

12. deque的线程安全性

需要注意的是，deque本身并不是线程安全的。如果你在多线程环境中使用deque，并且多个线程同时访问和修改它，那么你需要使用适当的同步机制（如互斥锁、条件变量等）来确保线程安全。

13. deque的替代方案

在某些情况下，你可能需要考虑使用其他容器作为deque的替代方案。例如，如果你需要在序列中间进行大量插入和删除操作，并且不关心元素的顺序，那么list可能是一个更好的选择。list在序列中间插入和删除元素的时间复杂度为O(1)，而deque则为O(n)。

另一方面，如果你需要在内存中连续存储元素，并且知道序列的大小在运行时不会改变，那么vector可能是一个更合适的选择。vector在内存中连续存储元素，并且具有更好的缓存利用率和更少的内存碎片。

14. 总结

deque是一个功能强大的STL容器，它支持在序列的两端进行高效的插入和删除操作。通过与其他STL算法和容器的交互，以及自定义元素类型，你可以使用deque来解决各种复杂的问题。然而，在选择使用deque时，你需要考虑具体的应用场景和性能需求，以确保选择最合适的容器类型。