深入研究 C++中的 STL Deque 容器

2004-12-16 16:27:00　　　网友评论阅读次数点此评论

　　本文档深入分析了std::deque，并提供了一个指导思想：当考虑到内存分配和执行性能的时候，使用std::deque要比std::vector好。

　　介绍

　　本文深入地研究了std::deque 容器。本文将讨论在一些情况下使用deque> 比vector更好。读完这篇文章后读者应该能够理解在容量增长的过程中deque 与vector在内存分配和性能的不同表现。由于deque> 和vector的用法很相似，读者可以参考vector 文档中介绍如何使用STL容器。

　　Deque总览

　　deque和vector一样都是标准模板库中的内容，deque是双端队列，在接口上和vector非常相似，在许多操作的地方可以直接替换。假如读者已经能够有效地使用vector容器，下面提供deque的成员函数和操作，进行对比参考。

　　Deque成员函数

函数	描述
c.assign(beg,end) c.assign(n,elem)	将[beg; end)区间中的数据赋值给c。将n个elem的拷贝赋值给c。
c.at(idx)	传回索引idx所指的数据，如果idx越界，抛出out_of_range。
c.back()	传回最后一个数据，不检查这个数据是否存在。
c.begin()	传回迭代器重的可一个数据。
c.clear()	移除容器中所有数据。
deque<Elem> c deque<Elem> c1(c2) Deque<Elem> c(n) Deque<Elem> c(n, elem) Deque<Elem> c(beg,end) c.~deque<Elem>()	创建一个空的deque。复制一个deque。创建一个deque，含有n个数据，数据均已缺省构造产生。创建一个含有n个elem拷贝的deque。创建一个以[beg;end)区间的deque。销毁所有数据，释放内存。
c.empty()	判断容器是否为空。
c.end()	指向迭代器中的最后一个数据地址。
c.erase(pos) c.erase(beg,end)	删除pos位置的数据，传回下一个数据的位置。删除[beg,end)区间的数据，传回下一个数据的位置。
c.front()	传回地一个数据。
get_allocator	使用构造函数返回一个拷贝。
c.insert(pos,elem) c.insert(pos,n,elem) c.insert(pos,beg,end)	在pos位置插入一个elem拷贝，传回新数据位置。在pos位置插入>n个elem数据。无返回值。在pos位置插入在[beg,end)区间的数据。无返回值。
c.max_size()	返回容器中最大数据的数量。
c.pop_back()	删除最后一个数据。
c.pop_front()	删除头部数据。
c.push_back(elem)	在尾部加入一个数据。
c.push_front(elem)	在头部插入一个数据。
c.rbegin()	传回一个逆向队列的第一个数据。
c.rend()	传回一个逆向队列的最后一个数据的下一个位置。
c.resize(num)	重新指定队列的长度。
c.size()	返回容器中实际数据的个数。
C1.swap(c2) Swap(c1,c2)	将c1和c2元素互换。同上操作。

　　Deque操作

函数	描述
operator[]	返回容器中指定位置的一个引用。

　　上面这些特征和vector明显相似，所以我们会提出下面的疑问。

　　问题：如果deque和vector可以提供相同功能的时候，我们使用哪一个更好呢？

　　回答：如果你要问的话，就使用vector吧。

　　或者你给个解释？

　　非常高兴你这样问，的确，这并不是无中生有的，事实上，在C++标准里解释了这个问题，下面有一个片断：

　　vector在默认情况下是典型的使用序列的方法，对于deque，当使用插入删除操作的时候是一个更好的选择。

　　有趣的是，本文就是要非常彻底地理解这句话。

　　什么是新的？

　　细读上面两张表格，你会发现和vector比较这里增加了两个函数。

　　1、c.push_front(elem) —— 在头部插入一个数据。

　　2、c.pop_front() —— 删除头部数据。

　　调用方法和c.push_back(elem)和c.pop_back()相同，这些将来会告诉我们对于deque> 会非常有用，deque可以在前后加入数据。>

　　缺少了什么？

　　同时你也会发现相对于vector> 缺少了两个函数，你将了解到deque> 不需要它们。

　　1、capacity()—— 返回vector当前的容量。

　　2、reserve() —— 给指定大小的vector> 分配空间。

　　这里是我们真正研究的开始，这里说明deque> 和vector它们在管理内部存储的时候是完全不同的。deque是大块大块地分配内存，每次插入固定数量的数据。vector是就近分配内存（这可能不是一个坏的事情）。但我们应该关注是，vector每次增加的内存足够大的时候，在当前的内存不够的情况。下面的实验来验证deque不需要capacity()和reserve()> 是非常有道理的。

　　实验一 —— 增长的容器

　　目的

　　目的是通过实验来观察deque和vector在容量增长的时候有什么不同。用图形来说明它们在分配内存和执行效率上的不同。

　　描述

　　这个实验的测试程序是从一个文件中读取文本内容，每行作为一个数据使用push_back插入到deque> 和vector中，通过多次读取文件来实现插入大量的数据，下面这个类就是为了测试这个内容：

#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;
};

　　结果

　　测试程序运行的平台和一些条件：

CPU	1.8 GHz Pentium 4
内存	1.50 GB
操作系统	W2K-SP4
文件中的行数	9874
平均每行字母个数	1755.85
读文件的次数	45
总共插入的数据个数	444330

　　使用Windows任务管理器来记录执行效率，本程序中使用了Laurent Guinnard 的CDuration类。消耗系统资源如下图：

　　注意在vector分配内存的最高峰，vector在分配内存的时候是怎样达到最高值，deque就是这样的，它在插入数据的同时，内存直线增长，首先deque的这种内存分配单元进行回收的话，存在意想不到的后果，我们希望它的分配内存看上去和vector一样，通过上面的测试我们需要进一步的测试，现提出一个假设：假设deque分配的内存不是连续的，一定需要释放和收回内存，我们将这些假设加入后面的测试中，但是首先让我们从执行的性能外表分析一下这个实验。

　　究竟分配内存需要消耗多久？

　　注意看下面这张图片，vector在不插入数据的时候在进行寻求分配更多内存。