C++ deque/queue/stack的底层原理解析

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。

deque采用一块所谓的map数组（注意，不是STL的map容器）作为主控。这里所谓map是一小块连续空间（类似于vector），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。SGI 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。

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。

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：

• 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；
• 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：

• cur：指向当前正在遍历的元素；
• first：指向当前连续空间的首地址；
• last：指向当前连续空间的末尾地址；
• node：它是一个二级指针，用于指向 map 数组中存储的指向当前连续空间的指针。

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 容器的底层实现如下图所示：

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;}

stack和queue的原理

由stack和queue源码可知，其实stack和queue是将deque容器进行再封装，其底层是一个deque容器。对stack和queue操作，其实间接操作的是deque容器。

到此这篇关于C++ deque/queue/stack的底层原理的文章就介绍到这了,更多相关C++ deque/queue/stack的底层原理内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！