深入研究 C++中的 STL Deque 容器

本文檔深入分析了std::deque，並提供了一個指導思想：當考慮到內存分配和執行性能的時候，使用std::deque要比std::vector好。

　　介紹

　　本文深入地研究了std::deque 容器。本文將討論在一些情況下使用deque> 比vector更好。讀完這篇文章後讀者應該能夠理解在容量增長的過程中deque 與vector在內存分配和性能的不同表現。由於deque> 和vector的用法很相似，讀者可以參考vector 文檔中介紹如何使用STL容器。

　　Deque總覽

　　deque和vector一樣都是標準模板庫中的內容，deque是雙端隊列，在接口上和vector非常相似，在許多操作的地方可以直接替換。假如讀者已經能夠有效地使用vector容器，下面提供deque的成員函數和操作，進行對比參考。

　　Deque成員函數

函數	描述
c.assign(beg,end) c.assign(n,elem)	將[beg; end)區間中的數據賦值給c。 將n個elem的拷貝賦值給c。
c.at(idx)	傳回索引idx所指的數據，如果idx越界，拋出out_of_range。
c.back()	傳回最後一個數據，不檢查這個數據是否存在。
c.begin()	傳回迭代器重的可一個數據。
c.clear()	移除容器中所有數據。
deque<Elem> c deque<Elem> c1(c2) Deque<Elem> c(n) Deque<Elem> c(n, elem) Deque<Elem> c(beg,end) c.~deque<Elem>()	創建一個空的deque。 複製一個deque。 創建一個deque，含有n個數據，數據均已缺省構造產生。 創建一個含有n個elem拷貝的deque。 創建一個以[beg;end)區間的deque。 銷燬所有數據，釋放內存。
c.empty()	判斷容器是否爲空。
c.end()	指向迭代器中的最後一個數據地址。
c.erase(pos) c.erase(beg,end)	刪除pos位置的數據，傳回下一個數據的位置。 刪除[beg,end)區間的數據，傳回下一個數據的位置。
c.front()	傳回地一個數據。
get_allocator	使用構造函數返回一個拷貝。
c.insert(pos,elem)  c.insert(pos,n,elem) c.insert(pos,beg,end)	在pos位置插入一個elem拷貝，傳回新數據位置。 在pos位置插入>n個elem數據。無返回值。 在pos位置插入在[beg,end)區間的數據。無返回值。
c.max_size()	返回容器中最大數據的數量。
c.pop_back()	刪除最後一個數據。
c.pop_front()	刪除頭部數據。
c.push_back(elem)	在尾部加入一個數據。
c.push_front(elem)	在頭部插入一個數據。
c.rbegin()	傳回一個逆向隊列的第一個數據。
c.rend()	傳回一個逆向隊列的最後一個數據的下一個位置。
c.resize(num)	重新指定隊列的長度。
c.size()	返回容器中實際數據的個數。
C1.swap(c2)  Swap(c1,c2)	將c1和c2元素互換。 同上操作。

　　Deque操作

函數	描述
operator[]	返回容器中指定位置的一個引用。

　　上面這些特徵和vector明顯相似，所以我們會提出下面的疑問。

　　問題：如果deque和vector可以提供相同功能的時候，我們使用哪一個更好呢？

　　回答：如果你要問的話，就使用vector吧。

　　或者你給個解釋？

　　非常高興你這樣問，的確，這並不是無中生有的，事實上，在C++標準裏解釋了這個問題，下面有一個片斷：

　　vector在默認情況下是典型的使用序列的方法，對於deque，當使用插入刪除操作的時候是一個更好的選擇。

　　有趣的是，本文就是要非常徹底地理解這句話。

　　什麼是新的？

　　細讀上面兩張表格，你會發現和vector比較這裏增加了兩個函數。

　　1、c.push_front(elem) —— 在頭部插入一個數據。

　　2、c.pop_front() —— 刪除頭部數據。

　　調用方法和c.push_back(elem)和c.pop_back()相同，這些將來會告訴我們對於deque> 會非常有用，deque可以在前後加入數據。>

　　缺少了什麼？

　　同時你也會發現相對於vector> 缺少了兩個函數，你將瞭解到deque> 不需要它們。

　　1、capacity()—— 返回vector當前的容量。

　　2、reserve() —— 給指定大小的vector> 分配空間。

　　這裏是我們真正研究的開始，這裏說明deque> 和vector它們在管理內部存儲的時候是完全不同的。deque是大塊大塊地分配內存，每次插入固定數量的數據。vector是就近分配內存（這可能不是一個壞的事情）。但我們應該關注是，vector每次增加的內存足夠大的時候，在當前的內存不夠的情況。下面的實驗來驗證deque不需要capacity()和reserve()> 是非常有道理的。

　　實驗一 —— 增長的容器

　　目的

　　目的是通過實驗來觀察deque和vector在容量增長的時候有什麼不同。用圖形來說明它們在分配內存和執行效率上的不同。

　　描述

　　這個實驗的測試程序是從一個文件中讀取文本內容，每行作爲一個數據使用push_back插入到deque> 和vector中，通過多次讀取文件來實現插入大量的數據，下面這個類就是爲了測試這個內容：

#include <deque>
#include <fstream>
#include <string>
#include <vector>

static enum modes
{
　FM_INVALID = 0,
　FM_VECTOR, 
　FM_DEQUE 
}; 

class CVectorDequeTest 
{ 
　public:
　　CVectorDequeTest(); 
　　void ReadTestFile(const char* szFile, int iMode) 
　　{ 
　　　char buff[0xFFFF] = {0}; 
　　　std::ifstream inFile;
　　　inFile.open(szFile);
　　　while(!inFile.eof())
　　　{
　　　　inFile.getline(buff, sizeof(buff));
　　　　if(iMode == FM_VECTOR)
　　　　　m_vData.push_back(buff);
　　　　else if(iMode == FM_DEQUE)
　　　　　m_dData.push_back(buff);
　　　} 
　　　inFile.close();
　　} 
　　virtual ~CVectorDequeTest(); 
　protected: 
　　std::vector<std::string> m_vData; 
　　std::deque<std::string> m_dData;
};

　　結果

　　測試程序運行的平臺和一些條件：

CPU	1.8 GHz Pentium 4
內存	1.50 GB
操作系統	W2K-SP4
文件中的行數	9874
平均每行字母個數	1755.85
讀文件的次數	45
總共插入的數據個數	444330

　　使用Windows任務管理器來記錄執行效率，本程序中使用了Laurent Guinnard 的CDuration類。消耗系統資源如下圖：

　　注意在vector分配內存的最高峯，vector在分配內存的時候是怎樣達到最高值，deque就是這樣的，它在插入數據的同時，內存直線增長，首先deque的這種內存分配單元進行回收的話，存在意想不到的後果，我們希望它的分配內存看上去和vector一樣，通過上面的測試我們需要進一步的測試，現提出一個假設：假設deque分配的內存不是連續的，一定需要釋放和收回內存，我們將這些假設加入後面的測試中，但是首先讓我們從執行的性能外表分析一下這個實驗。

　　究竟分配內存需要消耗多久？

　　注意看下面這張圖片，vector在不插入數據的時候在進行尋求分配更多內存。

　　同時我們也注意到使用push_back插入一組數據消耗的時間，注意，在這裏每插入一組數據代表着9874個串，平均每個串的長度是1755.85。