C++STL~~deque

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。

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：

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

• 由于deque可以在两端高效地进行插入和删除操作，它非常适合用来实现栈和队列。例如，可以将元素从deque的一端推入表示入栈操作，从同一端弹出表示出栈操作；将元素从deque的一端推入表示入队操作，从另一端弹出表示出队操作。

2.存储历史记录

• 可以用deque来存储用户操作的历史记录，允许用户在一定范围内回溯和前进。新的操作可以添加到deque的一端，而当用户回溯时，可以从另一端删除元素。

3.广度优先搜索算法

• 在图的广度优先搜索算法中，deque可以用来存储待访问的节点。从deque的一端取出节点进行访问，并将其相邻的未访问节点添加到deque的另一端。这样可以保证先访问距离起点较近的节点。