深入研究 STL Deque 容器
An In-Depth Study of the STL Deque Container (By Nitron)
翻译 masterlee
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 的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。 |
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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。 |
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c.empty() |
判断容器是否为空。 |
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c.end() |
指向迭代器中的最后一个数据地址。 |
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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。 |
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c.front() |
传回地一个数据。 |
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get_allocator |
使用构造函数返回一个拷贝。 |
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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。 |
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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。 |
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c.pop_front() |
删除头部数据。 |
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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。 |
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c.rbegin() |
传回一个逆向队列的第一个数据。 |
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c.rend() |
传回一个逆向队列的最后一个数据的下一个位置。 |
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c.resize(num) |
重新指定队列的长度。 |
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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，在23.1.1章节有下面一个片断：
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。
同时我们也注意到使用push_back插入一组数据消耗的时间，注意，在这里每插入一组数据代表着9874个串，平均每个串的长度是1755.85。
实验二 —— vector::reserve()的资源
目的
这个实验的目的是vector在加入大量数据之前调用reserve()，和deque进行比较，看它们的内存分配和执行效率怎么样？
描述
本实验中的测试基本上和实验一相同，除了在测试类的构造函数中加入下面这行代码:
|
m_vData.reserve(1000000); |
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 |
70 |
|
总共插入的数据个数 |
691180 |
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：
我们注意到vector不在需要分配花费多余的时间分配内存了，这是由于我们使用了reserve()对于所测试的691180个数据为我们每一次插入大量数据的时候保留了足够的内存空间，对于deque存储分配的假设，观察这个测试中的内存分配图形和上一个图形，我们需要进一步量化这个测试。
怎样改良内存分配的性能呢？
下面这个图例说明随着数据的增加，容量在增加：
当增加数据的时候对容量的增加在vector和deque执行效率基本一样，然而，vector在插入数据的时候有一些零星的时间消耗，看下面的图例：
通过统计分析vector和deque在插入平均为1755.85长度的9874个数据所花费的时间，下面是总结的表格：
|
Vector |
Deque |
|
Mean |
0.603724814 sec |
|
Maximum |
0.738313000 sec |
|
Minimum |
0.559959000 sec |
|
Std. Dev |
0.037795736 sec |
|
6-Sigma |
0.226774416 sec |
|
|
Mean |
0.588021114 sec |
|
Maximum |
0.615617000 sec |
|
Minimum |
0.567503000 sec |
|
Std. Dev |
0.009907800 sec |
|
6-Sigma |
0.059446800 sec |
|
实验三 —— 内存回收
目的
本实验是对假设deque分配的内存不是临近的，而且很难回收进行量化测试分析。
描述
在本实验中再次用到了实验一中的代码，在调用函数中加入记录增加数据执行的效率具体入下面操作：
|
for(xRun=0; xRun<NUMBER_OF_XRUNS; xRun++)
{
df = new CVectorDequeTest;
elapsed_time = 0;
for(i=0; i<NUMBER_OF_RUNS*xRun; i++)
{
cout << "Deque - Run " << i << " of " <<
NUMBER_OF_RUNS*xRun << "... ";
df->ReadTestFile("F:\\huge.csv",DF_DEQUE);
deque_data.push_back(datapoint());
deque_data.back().time_to_read = df->GetProcessTime();
elapsed_time += deque_data.back().time_to_read;
deque_data.back().elapsed_time = elapsed_time;
cout << deque_data.back().time_to_read << " seconds\n";
}
vnElements.push_back(df->GetDequeSize());
cout << "\n\nDeleting... ";
del_deque.Start();
delete df;
del_deque.Stop();
cout << del_deque.GetDuration()/1000000.0 << " seconds.\n\n";
vTimeToDelete.push_back(del_deque.GetDuration()/1000000.0);
} |
结果
本测试和上面两个实验在相同的平台上运行，除了插入的数据由9874到691180，需要插入70次，下面图例显示了deque在插入数据的时候分配内存的情况，在deque里插入了平均每个长度为1755.85的字符串。
尽管从几个曲线图中看到的实际消耗时间不同，但些曲线图都精确到了R2=95.15%。所给的数据点都实际背离了下表中统计的曲线图数据:
|
deque Results |
|
Mean |
0.007089269 sec |
|
Maximum |
11.02838496 sec |
|
Minimum |
-15.25901667 sec |
|
Std. Dev |
3.3803636 sec |
|
6-Sigma |
20.2821816 sec |
在相同的情况下比较vector的结果是非常有意义的。下面图就是将vector和deque在相同的情况下分配内存消耗的时间比较图：
这些数据在这个测试中是R2=82.12%。这或许可以经过每个点反复运行得到更加优化，在这个问题中这些数据适当地标注了这些点，所给的数据点都实际背离了下表中统计的曲线图数据:
|
vector Results |
|
Mean |
-0.007122715 sec |
|
Maximum |
0.283452127 sec |
|
Minimum |
-0.26724459 sec |
|
Std. Dev |
0.144572356 sec |
|
6-Sigma |
0.867434136 sec |
实验四 —— vector::insert() 和 deque::insert() 执行特点比较
目的
deque主张使用参数为常量的insert()。但怎么样能和vector::insert()比较一下呢？本实验的目的就是比较一下vector::insert() 和 deque::insert()的工作特点。
描述
在容器的容器多次插入数据，在这里可能不符合你的需求，既然这样你可以使用insert()，试验代码也和实验一基本一样，使用insert()代替push_back()，使用insert()来测试。
结果
当插入常量给deque的时候，从下图可以看出和vector的对比来。
注意两张图片中时间轴的不同，这是将61810个数据插入到容器中。
实验五 —— 读取容器的性能
目的
这个实验将测试vector::at(),vector::operator[],deque::at()和deque::operator[]的性能。首先应该是operator[]比at（）效率要高，因为它不进行边界检查，同时也比较vector和deque。
描述
这个实验将测试中的容器有1000000个类型为std::string，每个字符串长度为1024的数据，分别使用at()和operator[]这两个操作来访问容器容器的数据，测试它们运行的时间，这个测试执行50次，统计每次执行的结果。
结果
我们看到使用vector和deque访问容器中的数据，他们执行的性能差别很小，使用operator[]和at()访问数据的性能差别几乎可以忽略不计，下面是统计的结果：
|
vector::at() |
|
Mean |
1.177088125 sec |
|
Maximum |
1.189580000 sec |
|
Minimum |
1.168340000 sec |
|
Std. Dev |
0.006495193 sec |
|
6-Sigma |
0.038971158 sec |
|
|
deque::at() |
|
Mean |
1.182364375 sec |
|
Maximum |
1.226860000 sec |
|
Minimum |
1.161270000 sec |
|
Std. Dev |
0.016362148 sec |
|
6-Sigma |
0.098172888 sec |
|
|
vector::operator[] |
|
Mean |
1.164221042 sec |
|
Maximum |
1.192550000 sec |
|
Minimum |
1.155690000 sec |
|
Std. Dev |
0.007698520 sec |
|
6-Sigma |
0.046191120 sec |
|
|
deque::operator[] |
|
Mean |
1.181507292 sec |
|
Maximum |
1.218540000 sec |
|
Minimum |
1.162710000 sec |
|
Std. Dev |
0.010275712 sec |
|
6-Sigma |
0.061654272 sec |
|
结论
在这篇文章中我们覆盖了多种不同的情况来选择我们到底是该使用vector还是deque。让我们总结一下测试的结果看下面几个结论。
当执行大数据量的调用push_back()的时候，记住要调用vector::reserve()。
在实验一中我们研究了vector和deque在插入数据的情况。通过这些假设，我们可以看出deque分配的空间是预先分配好的，deque维持一个固定增长率，在vector实验中我们考虑到应该调用vecor::reserve().然后在下面这个例子验证了我们的假设，在使用vector的时候调用reserve()能够膀子我们预先分配空间，这将是vector一个默认选择的操作。
当你分配很多内存单元的时候，记住使用deque回收内存要比vector消耗时间多。
在实验三中我们探讨了vector和deque在回收非邻接内存块上的不同，分别证明了vector在分配内存的时候是线性增长，而deque是指数增长，同样，vector要回收的内存比deque多的多，如果你循环调用了push_back()，那么deque将获取大量的内存，而且是临近的。我们通过测试发现在分配内存单元消耗的时间和vector的时间接近。
如果你计划使用insert()，或者需要pop_front()，那就使用deque。
由于vector没有提供pop_front()函数，但在实验四的结果中可以看出没有insert()是非常好的，同时也告诉我们为什么deque在STL类中要作为单独的一个类划分出来。
对于访问数据，vector::at()效率最高。
在实验五中统计的数据表示，所有访问数据方法的效率是非常接近的，但是vector::at()效率最高。这是因为最优的平衡图访问时间为最低的六个西格玛值。
最后
我希望本文能够带你认识deque，而且对它感兴趣或者一个启发，欢迎继续讨论关于vector和deque任何问题和内容。
参考文献
Plauger, P.J. Standard C++ Library Reference. February, 2003. MSDN.
ISO/IEC 14882:1998(E). Programming Languages - C++. ISO and ANSI C++ Standard.
Schildt, Herbert. C++ from the Ground Up, Second Edition. Berkeley: 1998.
Sutter, Herb. More Exceptional C++. Indianapolis: 2002.
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写于 2004/11/7 masterlee
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