vector、list、deque的差异_时间复杂度

一、STL 容器与适配器概述

1. 适配器（Adapter）的概念

适配器是一种封装底层容器的设计模式，目的是提供统一的访问接口，同时屏蔽底层容器的实现细节。例如 std::queue（队列）和 std::stack（栈）是典型的适配器，它们默认以 std::deque 作为底层容器。

2. 容器分类

  • 序列容器：按顺序存储元素，如 vector（动态数组）、list（双向链表）、deque（双端队列）。
  • 适配器容器：基于其他容器封装而来，如 queue（队列）、stack（栈）、priority_queue（优先队列）。

二、deque（双端队列）的底层实现

vector、list、deque的差异_缓存_02

deque 是 “分段连续” 的容器，结合了 vector（连续内存）和 list（节点式管理）的优点，支持双端高效操作与随机访问。

1. 底层结构组成

  • 缓冲区（Buffer）：多个连续的小内存块，用于存储实际元素。
  • 中控器（Map）：一个指针数组，每个指针指向一个缓冲区，负责管理所有缓冲区的 “逻辑连续”。

2. 迭代器设计（__deque_iterator）

为了模拟 “连续内存” 的随机访问，deque 的迭代器需要处理跨缓冲区的情况，其核心结构如下：

struct __deque_iterator {
    typedef T** map_pointer;  // 指向中控器指针数组的指针
    T* cur;       // 指向当前元素
    T* first;     // 当前缓冲区的起始位置
    T* last;      // 当前缓冲区的结束位置（下一个元素的位置）
    map_pointer node;  // 指向中控器中当前缓冲区的指针

    // 解引用操作：返回当前元素
    reference operator*() const { return *cur; }

    // 前置++操作：处理跨缓冲区的情况
    self& operator++() {
        ++cur;
        if (cur == last) {  // 当前缓冲区遍历完毕
            set_node(node + 1);  // 跳到下一个缓冲区
            cur = first;         // 指向新缓冲区的起始位置
        }
        return *this;
    }

    // 设置当前缓冲区（辅助跨缓冲区操作）
    void set_node(map_pointer new_node) {
        node = new_node;
        first = *new_node;  // 新缓冲区的起始地址
        last = first + difference_type(buffer_size());  // 计算新缓冲区的结束位置
    }
};

3. 核心操作（push_back、push_front 等）

deque 支持双端高效插入 / 删除，核心逻辑依赖 “中控器 + 多缓冲区” 的结构：

  • push_back：在队尾缓冲区添加元素；若当前缓冲区已满，则新增缓冲区，并更新中控器的指针数组。
  • push_front：在队首缓冲区添加元素；若当前缓冲区已满，则新增缓冲区，并更新中控器的指针数组。
  • 插入 / 删除时，只需操作当前缓冲区的首尾，无需像 vector 那样移动大量元素，也无需像 list 那样分配节点，效率较高。

三、vector、list、deque 的性能对比

容器

随机访问

头尾插入 / 删除

中间插入 / 删除

扩容开销

CPU 缓存命中率

vector

O(1)

O(n)

O(n)

有（可能浪费内存）

高（连续内存）

list

O(n)

O(1)

O(1)

无（按需分配）

低（节点分散）

deque

O (1)（逻辑连续，迭代器计算）

O(1)

O (n)（需移动当前缓冲区元素）

小（分段扩容）

中（分段连续）

1. vector

  • 优点：支持随机访问（operator[] 时间复杂度 O (1)）；                                                                    CPU 高速缓存命中率高（连续内存，易被缓存）。
  • 缺点：头部 / 中部插入 / 删除效率低（需移动元素，时间复杂度 O (n)）；                                          扩容时有内存浪费（如容量从 100 扩容到 200，若只存 120 个元素则浪费 80 空间）。

2. list

  • 优点：任意位置插入 / 删除效率高（O (1)，无需移动元素，只需修改节点指针）；                             无扩容开销（节点按需分配，不浪费空间）。
  • 缺点：不支持随机访问（需遍历链表，时间复杂度 O (n)）；                                                               CPU 高速缓存命中率低（节点分散在内存中，难以被缓存）。

3. deque

  • 优点：双端插入 / 删除高效（O (1)）；                                                                                                支持随机访问（通过迭代器计算跨缓冲区的位置，时间复杂度 O (1)）；                                  扩容时无大规模内存拷贝（分段扩容）。
  • 缺点：随机访问的底层逻辑比 vector 复杂（需通过中控器和迭代器计算缓冲区与偏移）；                 CPU 缓存命中率不如 vector（分段内存，缓存连续性差）。

四、适配器容器：queue、stack、priority_queue

1. std::queue（队列）

  • 适配器，默认底层容器为 deque。
  • 先进先出（FIFO
  • push：队尾入队；
  • pop：队首出队；
  • front：访问队首元素；
  • back：访问队尾元素。

2. std::stack（栈）

  • 适配器，默认底层容器为 deque。
  • 后进先出（LIFO）
  • push：栈顶入栈；
  • pop：栈顶出栈；
  • top：访问栈顶元素。

3. std::priority_queue（优先队列）

  • 底层基于堆结构（默认用 vector 作为底层容器，再通过堆算法维护顺序）。
  • 元素按优先级排序，top 始终返回优先级最高的元素；
  • 插入操作需维护堆结构，时间复杂度 O (log n)。

五、内存访问与 CPU 缓存（背景知识）

CPU 访问数据时，会先查询三级缓存（L1、L2、L3）：

  • 若缓存命中，则直接从缓存取数据（速度快）；
  • 若缓存不命中，则从内存加载数据（速度慢，且会把相邻数据一并加载到缓存）。
  • vector 的连续内存易被缓存命中，效率高；
  • list 的分散节点缓存命中率低；
  • deque 的分段连续介于两者之间。

六、deque 的适用场景

  • 需要双端频繁插入 / 删除，且偶尔需要随机访问的场景；
  • 作为 queue 和 stack 的默认底层容器（两者只需单端 / 双端操作，deque 能高效支持）。

补充重点：

1.deque的致命缺陷：不适合遍历

vector、list、deque的差异_时间复杂度_03

2.为什么选择deque作为stack和queue的底层容器？

vector、list、deque的差异_迭代器_04