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C++ STL deque容器底层实现原理(深度剖析)

事实上,STL 中每个容器的特性,和它底层的实现机制密切相关,deque 自然也不例外。《C++ STL deque容器》一节中提到,deque 容器擅长在序列的头部和尾部添加或删除元素。本节将介绍 deque 容器的底层实现机制,探究其拥有此特点的原因。

想搞清楚 deque 容器的实现机制,需要先了解 deque 容器的存储结构以及 deque 容器迭代器的实现原理。

deque容器的存储结构

和 vector 容器采用连续的线性空间不同,deque 容器存储数据的空间是由一段一段等长的连续空间构成,各段空间之间并不一定是连续的,可以位于在内存的不同区域。

为了管理这些连续空间,deque 容器用数组(数组名假设为 map)存储着各个连续空间的首地址。也就是说,map 数组中存储的都是指针,指向那些真正用来存储数据的各个连续空间(如图 1 所示)。

deque容器的底层存储机制
图 1 deque容器的底层存储机制

通过建立 map 数组,deque 容器申请的这些分段的连续空间就能实现“整体连续”的效果。换句话说,当 deque 容器需要在头部或尾部增加存储空间时,它会申请一段新的连续空间,同时在 map 数组的开头或结尾添加指向该空间的指针,由此该空间就串接到了 deque 容器的头部或尾部。

有读者可能会问,如果 map 数组满了怎么办?很简单,再申请一块更大的连续空间供 map 数组使用,将原有数据(很多指针)拷贝到新的 map 数组中,然后释放旧的空间。

deque 容器的分段存储结构,提高了在序列两端添加或删除元素的效率,但也使该容器迭代器的底层实现变得更复杂。

deque容器迭代器的底层实现

由于 deque 容器底层将序列中的元素分别存储到了不同段的连续空间中,因此要想实现迭代器的功能,必须先解决如下 2 个问题:
  1. 迭代器在遍历 deque 容器时,必须能够确认各个连续空间在 map 数组中的位置;
  2. 迭代器在遍历某个具体的连续空间时,必须能够判断自己是否已经处于空间的边缘位置。如果是,则一旦前进或者后退,就需要跳跃到上一个或者下一个连续空间中。

为了实现遍历 deque 容器的功能,deque 迭代器定义了如下的结构:
template<class T,...>
struct __deque_iterator{
    ...
    T* cur;
    T* first;
    T* last;
    map_pointer node;//map_pointer 等价于 T**
}
可以看到,迭代器内部包含 4 个指针,它们各自的作用为:
借助这 4 个指针,deque 迭代器对随机访问迭代器支持的各种运算符进行了重载,能够对 deque 分段连续空间中存储的元素进行遍历。例如:
//当迭代器处于当前连续空间边缘的位置时,如果继续遍历,就需要跳跃到其它的连续空间中,该函数可用来实现此功能
void set_node(map_pointer new_node){
    node = new_node;//记录新的连续空间在 map 数组中的位置
    first = *new_node; //更新 first 指针
    //更新 last 指针,difference_type(buffer_size())表示每段连续空间的长度
    last = first + difference_type(buffer_size());
}
//重载 * 运算符
reference operator*() const{return *cur;}
pointer operator->() const{return &(operator *());}
//重载前置 ++ 运算符
self & operator++(){
    ++cur;
    //处理 cur 处于连续空间边缘的特殊情况
    if(cur == last){
        //调用该函数,将迭代器跳跃到下一个连续空间中
        set_node(node+1);
        //对 cur 重新赋值
        cur = first;
    }
    return *this;
}
//重置前置 -- 运算符
self& operator--(){
    //如果 cur 位于连续空间边缘,则先将迭代器跳跃到前一个连续空间中
    if(cur == first){
        set_node(node-1);
        cur == last;
    }
    --cur;
    return *this;
}

deque容器的底层实现

了解了 deque 容器底层存储序列的结构,以及 deque 容器迭代器的内部结构之后,接下来看看 deque 容器究竟是如何实现的。

deque 容器除了维护先前讲过的 map 数组,还需要维护 start、finish 这 2 个 deque 迭代器。以下为 deque 容器的定义:
//_Alloc为内存分配器
template<class _Ty,
    class _Alloc = allocator<_Ty>>
class deque{
    ...
protected:
    iterator start;
    iterator finish;
    map_pointer map;
...
}
其中,start 迭代器记录着 map 数组中首个连续空间的信息,finish 迭代器记录着 map 数组中最后一个连续空间的信息。另外需要注意的是,和普通 deque 迭代器不同,start 迭代器中的 cur 指针指向的是连续空间中首个元素;而 finish 迭代器中的 cur 指针指向的是连续空间最后一个元素的下一个位置。

因此,deque 容器的底层实现如图 2 所示。

deque容器的底层实现
图 3 deque容器的底层实现

借助 start 和 finish,以及 deque 迭代器中重载的诸多运算符,就可以实现 deque 容器提供的大部分成员函数,比如:
//begin() 成员函数
iterator begin() {return start;}
//end() 成员函数
iterator end() { return finish;}
//front() 成员函数
reference front(){return *start;}
//back() 成员函数
reference back(){
    iterator tmp = finish;
    --tmp;
    return *tmp;
}
//size() 成员函数
size_type size() const{return finish - start;}//deque迭代器重载了 - 运算符
//enpty() 成员函数
bool empty() const{return finish == start;}

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