深入剖析deque容器实现

deque简介

       deque是双向开口的连续性存储空间。虽说是连续性存储空间，但这种连续性只是表面上的，实际上它的内存是动态分配的，它在堆上分配了一块一块的动态储存区，每一块动态存储区本身是连续的，deque自身的机制把这一块一块的存储区虚拟地连在一起。

       它首次插入一个元素，默认会动态分配512字节空间，当这512字节空间用完后，它会再动态分配自己另外的512字节空间，然后虚拟地连在一起。deque的这种设计使得它具有比vector复杂得多的架构、算法和迭代器设计。它的性能损失比之vector，是几个数量级的差别。所以说，deque要慎用。

deque数据结构

        逻辑数据结构示意图：

                 


                                                              图1 逻辑结构示意图

        实际数据结构示意图：

                


                                                                 图2 实际结构示意图

 数据结构实现

template<class _Ty, class _Ax>
class deque
{
private:
_Mapptr _Map;		// pointer to array of pointers to blocks
size_type _Mapsize;	// size of map array
size_type _Myoff;	// offset of initial element
size_type _Mysize;	// current length of sequence
};

 一、deque的中控器      
        我们发现这里有一个_Map成员变量。大家注意，这可不是STL中的map。这个_Map是一个指针，指向一块特殊的内存地址，这里保存着指向deque动态申请的所有512字节内存空间的首地址。deque先用一段小的连续空间顺序存放了一个一个指针，然后这些顺序存放的指针再各自指向用来真正存放数据的512字节连续性空间。当_Map指向的这块空间不够存放内存指针的时候，就会另觅一块更大的连续性空间，然后把指针一个一个复制过去，并销毁旧的空间。利用这种数据结构，deque就能方便地模拟自身的存储区是连续性空间的假象，并且可以实现双向插入删除的功能，我们看一下deque的数据结构图，如图3所示。
               


                                                                      图 3 内部实现结构    
         _Map所指的一小块连续空间就是deque的中央控制器，其中每个元素（此处称为一个节点，node）都是指针，指向另一段（较大的）连续线性空间，称为缓冲区。缓冲区才是deque的储存空间主体。STL 允许我们指定缓冲区大小，默认值0表示将使用512
bytes 缓冲区。

          当中控器使用率已经满载时，便需要再找一块更大的空间来做map，配置策略间reallocate_map(),新的map可以容纳更多的节点，也就是更多的缓冲区，如图4是扩展新空间的示意图，新增缓冲区是在原来基础上进行，没有复制操作，这种扩展方式避开了“重新配置、复制、释放”的轮回，代价是复杂的迭代器架构。
       


                                                   图 4 扩展新空间实现方式 
     从deque扩展新空间的方式，可以看出deque没有capacity()，不需要reserce(size_type n)。这是因为deque由动态分配的连续空间组合而成，随时可以增加一段新的空间链接起来。它没有必要像vector那样“因旧空间不足而重新分配2倍的空间，然后复制元素，再释放旧空间。
 二、deque的迭代器
           在STL中，我们都可以通过解引用的方式得到迭代器所指的值，为了能够从“deque内部结构”中得到中某个元素的确切位置，那么deque的迭代器应该具备怎么结构，我们可以考虑以下几点。首先，需要知道该元素位于哪个缓冲区的哪个位置；其次，一旦迭代器前进和后退有可能会跳跃至上一个或下一个缓冲区，为了判断跳跃的条件就需要知道，当前元素所在缓冲区的首尾指针。最后，如果前进或后退必须跳跃至下一个或上一个缓冲区。为了能够正确跳跃，deque必须随时掌握管控中心（map），通过map可以知道跳跃的缓冲区。所以在迭代器中需要定义如下参数，deque的迭代器如图5所示：

当前元素的指针
当前元素所在缓冲区的起始指针，
当前元素所在缓冲区的尾指针，
指向map中指向所在缓区地址的指针。
  


                                                    图 5 迭代器示意图

deque对用户屏蔽了复杂的内存管理操作， 我们平时操时都是按照"逻辑结构"方式进行，也就是可动态插入、删除的一维数组，大大简化了用户使用，如图6所示。其实deque最大的任务就是管理这些分段的连续空间上，维护其整体连续的假象，并提供随机存取的接口。



图 6 deque<string>