�Q��{�Q�深入研�I?C++中的 STL Deque 容器

微尘 — Fri, 29 Feb 2008 14:04:00 GMT

本文档深入分析了std::deque�Q��ƈ提供了一个指导思想�Q�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�?br>
　　介绍

　　本文深入地研�I�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��文章后读者应该能够理解在定w��增长的过�E�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�怼��Q�读者可以参考vector 文档中介�l�如何��用STL容器�?br>
　　Deque总览

　　deque和vector一样都是标准模板库中的内容�Q�deque是双端队列，在接口上和vector非常�怼��Q�在许多操作的地方可以直接替换。假如读者已�l�能够有效地使用vector容器�Q�下面提供deque的成员函数和操作�Q�进行对比参考�?br>
　　Deque成员函数

函数	描述
c.assign(beg,end) c.assign(n,elem)	��[beg; end)区间中的数据赋值给c�?br>��n个elem的拷贝赋值给c�?/td>
c.at(idx)	传回索引idx所指的数据�Q�如果idx��界�Q�抛出out_of_range�?/td>
c.back()	传回最后一个数据，不检查这个数据是否存在�?/td>
c.begin()	传回�q�代器重的可一个数据�?/td>
c.clear()	�U�除容器中所有数据�?/td>
deque c deque c1(c2) Deque c(n) Deque c(n, elem) Deque c(beg,end) c.~deque()	创徏一个空的deque�?br>复制一个deque�?br>创徏一个deque�Q�含有n个数据，数据均已�~�省构造��生�?br>创徏一个含有n个elem拯��的deque�?br>创徏一个以[beg;end)区间的deque�?br>销毁所有数据，释放内存�?/td>
c.empty()	判断容器是否为空�?/td>
c.end()	指向�q�代器中的最后一个数据地址�?/td>
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�?br>删除[beg,end)区间的数据，传回下一个数据的位置�?/td>
c.front()	传回��C��个数据�?/td>
get_allocator	使用构造函数返回一个拷贝�?/td>
c.insert(pos,elem) c.insert(pos,n,elem) c.insert(pos,beg,end)	在pos位置插入一个elem拯��Q�传回新数据位置�?br>在pos位置插入>n个elem数据。无�q�回倹{�?br>在pos位置插入在[beg,end)区间的数据。无�q�回倹{�?/td>
c.max_size()	�q�回容器中最大数据的数量�?/td>
c.pop_back()	删除最后一个数据�?/td>
c.pop_front()	删除头部数据�?/td>
c.push_back(elem)	在尾部加入一个数据�?/td>
c.push_front(elem)	在头部插入一个数据�?/td>
c.rbegin()	传回一个逆向队列的第一个数据�?/td>
c.rend()	传回一个逆向队列的最后一个数据的下一个位�\|��?/td>
c.resize(num)	重新指定队列的长度�?/td>
c.size()	�q�回容器中实际数据的个数�?/td>
C1.swap(c2) Swap(c1,c2)	��c1和c2元素互换�?br>同上操作�?/td>

　　Deque操作

函数	描述
operator[]	�q�回容器中指定位�\|�的一个引用�?/td>

　　上面�q�些特征和vector明显�怼��Q�所以我们会提出下面的疑问�?br>
　　问题�Q�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�Q?br>
　　回答�Q�如果你要问的话�Q�就使用vector吧�?br>
　　或者你�l�个解释�Q?br>
　　非常高兴你这样问�Q�的��，�q��ƈ不是无中生有的，事实上，�?a target=_blank>C++标准里解释了�q�个问题�Q�下面有一个片断：

　　vector在默认情况下是典型的使用序列的方法，对于deque�Q�当使用插入删除操作的时候是一个更好的选择�?br>
　　有趣的是�Q�本文就是要非常��d��地理解这句话�?br>
　　什么是新的�Q?/strong>

　　�l�读上面两张表格�Q�你会发现和vector比较�q�里增加了两个函数�?br>
　　1、c.push_front(elem) —�?在头部插入一个数据�?br>
　　2、c.pop_front() —�?删除头部数据�?br>
　　调用�Ҏ��和c.push_back(elem)和c.pop_back()相同�Q�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�?gt;

　　�~�少了什么？

　　同时你也会发现相对于vector> �~�少了两个函敎ͼ�你将了解到deque> 不需要它们�?br>
　　1、capacity()—�?�q�回vector当前的容量�?br>
　　2、reserve() —�?�l�指定大��的vector> 分配�I�间�?br>
　　�q�里是我们真正研�I�的开始，�q�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�Q�每�ơ插入固定数量的数据。vector是就�q�分配内存（�q�可能不是一个坏的事情）。但我们应该��x��是，vector每次增加的内存��够大的时候，在当前的内存不够的情��c��下面的实验来验证deque不需要capacity()和reserve()> 是非常有道理的�?br>
　　实验一 —�?增长的容�?/strong>

　　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。用囑�Ş来说明它们在分配内存和执行效率上的不同�?br>
　　描述

　　�q�个实验的测试程序是从一个文件中��d��文本内容�Q�每行作��Z��个数据��用push_back插入到deque> 和vector中，通过多次��d��文�g来实现插入大量的数据�Q�下面这个类��是��Z��试�q�个内容�Q?br>

#include
#include
#include
#include

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 m_vData;
　　std::deque m_dData;
};

　　�l�果

　　��试�E�序�q�行的��^台和一些条�Ӟ��

CPU 1.8 GHz Pentium 4

内存 1.50 GB

操作�pȝ�� W2K-SP4

文�g中的行数 9874

�q�_��每行字母个数
1755.85

��L��件的�ơ数
45

��d��插入的数据个�?/td> 444330

　　使用Windows��d��理器来记录执行效率�Q�本�E�序中��用了Laurent Guinnard 的CDuration�c�R��消耗系�l�资源如下图�Q?br>

　　注意在vector分配内存的最高峰�Q�vector在分配内存的时候是怎样辑ֈ�最高��|��deque��是�q�样的，它在插入数据的同�Ӟ��内存直线增长�Q�首先deque的这�U�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��d��vector一��P��通过上面的测试我们需要进一步的��试�Q�现提出一个假设：假设deque分配的内存不是连�l�的�Q�一定需要释攑֒�收回内存�Q�我们将�q�些假设加入后面的测试中�Q�但是首先让我们从执行的性能外表分析一下这个实验�?br>
　　�I�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�q�行��L��分配更多内存�?br>

　　同时我们也注意到使用push_back插入一�l�数据消耗的旉��Q�注意，在这里每插入一�l�数据代表着9874个串�Q��^均每个串的长度是1755.85�?br>

实验二—�?vector::reserve()的资�?/strong>

　　目的

　　�q�个实验的目的是vector在加入大量数据之前调用reserve()�Q�和deque�q�行比较�Q�看它们的内存分配和执行效率怎么��P��

　　描述

　　本实验中的测试基本上和实验一相同�Q�除了在��试�cȝ��构造函��C��加入下面�q�行代码:

m_vData.reserve(1000000);

　　�l�果

　　��试�E�序�q�行的��^台和一些条�Ӟ��

CPU
1.8 GHz Pentium 4

内存
1.50 GB

操作�pȝ��
W2K-SP4

文�g中的行数
9874

�q�_��每行字母个数
1755.85

��L��件的�ơ数
70

��d��插入的数据个�?br> 691180

　　使用Windows��d��理器来记录执行效率�Q�本�E�序中��用了>Laurent Guinnard 的CDuration�c�R��消耗系�l�资源如下图�Q?br>

　　我们注意到vector不在需要分配花费多余的旉��分配内存了，�q�是�׃��我们使用了reserve()对于所��试�?gt;691180个数据�ؓ我们每一�ơ插入大量数据的时候保留了��_��的内存空��_��对于deque存储分配的假设，观察�q�个��试中的内存分配囑�Ş和上一个图形，我们需要进一步量化这个测试�?br>
　　怎样改良内存分配的性能呢？

　　下面�q�个图例说明随着数据的增加，定w��在增加：

　　当增加数据的时候对定w��的增加在vector和deque执行效率基本一��P��然而，vector在插入数据的时候有一些零星的旉��消耗，看下面的图例�Q?br>

　　通过�l�计分析vector和deque在插入��^均�ؓ>1755.85长度�?gt;9874个数据所��p��的时��_��下面是�ȝ��的表��|��

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�?/strong>

　　目的

　　本实验是对假设deque分配的内存不是�͘q�的�Q�而且很难回收�q�行量化��试分析�?br>
　　描述

　　在本实验中再�ơ用��C��实验一中的代码�Q�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{
　df = new CVectorDequeTest;
　elapsed_time = 0;

　for(i=0; 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);
}

　　�l�果

　　本测试和上面两个实验在相同的�q�_��上运行，除了插入的数据由>9874�?gt;691180�Q�需要插�?gt;70�ơ，下面图例昄��?gt;deque在插入数据的时候分配内存的情况�Q�在deque里插入了�q�_��每个长度�?gt;1755.85的字�W�串�?gt;

　　��管从几个曲�U�图中看到的实际消耗时间不同，但些曲线��N��_��C��>R2=95.15%。所�l�的数据炚w��实际背离了下表中�l�计的曲�U�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��是��vector和deque在相同的情况下分配内存消耗的旉��比较图：

　　�q�些数据在这个测试中�?gt;R2=82.12%。这或许可以�l�过每个点反复运行得到更加优化，在这个问题中�q�些数据适当地标注了�q�些点，所�l�的数据炚w��实际背离了下表中�l�计的曲�U�图数据:

vector Results

Mean

-0.007122715sec

Maximum

0.283452127 sec

Minimum

-0.26724459sec

Std. Dev

0.144572356sec

6-Sigma

0.867434136sec

实验四—�?vector::insert() �?deque::insert() 执行特点比较

　　目的

　　deque��d��使用参数为常量的insert()。但怎么栯��和vector::insert()比较一下呢�Q�本实验的目的就是比较一下vector::insert()> �?deque::insert()的工作特炏V�?

　　描述

　　在容器的容器多次插入数据�Q�在�q�里可能不符合你的需求，既然�q�样你可以��用insert()�Q�试验代码也和实验一基本一��P��使用insert()代替push_back()�Q��用insert(>)来测试�?br>
　　�l�果

　　当插入常量给deque的时候，从下囑֏�以看出和vector的对比来�?br>

　　注意两张囄��中时间��u的不同，�q�是��?gt;61810个数据插入到容器中�?br>

　　实验五——读取容器的性能

　　目的

　　�q�个实验��测试vector::at(),vector::operator[],deque::at()和deque::operator[]的性能。首先应该是operator[]比at�Q�）效率要高�Q�因为它不进行边界检查，同时也比较vector和deque�?br>
　　描述

　　�q�个实验��测试中的容器有1000000个类型�ؓstd::string�Q�每个字�W�串长度�?024的数据，分别使用at()和operator[]�q�两个操作来讉K��容器容器的数据，��试它们�q�行的时��_��q�个��试执行50�ơ，�l�计每次执行的结果�?br>
　　�l�果

　　我们看到使用vector和deque讉K��容器中的数据�Q�他们执行的性能差别很小�Q��用operator[]和at()讉K��数据的性能差别几乎可以忽略不计�Q�下面是�l�计的结果：

vector::at()

Mean

1.177088125sec

Maximum

1.189580000sec

Minimum

1.168340000sec

Std. Dev

0.006495193sec

6-Sigma

0.038971158sec

deque::at()

Mean

1.182364375sec

Maximum

1.226860000sec

Minimum

1.161270000sec

Std. Dev

0.016362148sec

6-Sigma

0.098172888sec

vector::operator[]

Mean

1.164221042sec

Maximum

1.192550000sec

Minimum

1.155690000sec

Std. Dev

0.007698520sec

6-Sigma

0.046191120sec

deque::operator[]

Mean

1.181507292sec

Maximum

1.218540000 sec

Minimum

1.162710000sec

Std. Dev

0.010275712sec

6-Sigma

0.061654272sec

　　�l�论

　　在这��文章中我们覆盖了多�U�不同的情况来选择我们到底是该使用vector�q�是deque。让我们�ȝ��一下测试的�l�果看下面几个结论�?br>
　　当执行大数据量的调用push_back()的时候，��C��要调用vector::reserve()�?br>
　　在实验一中我们研�I�了vector和deque在插入数据的情况。通过�q�些假设�Q�我们可以看出deque分配的空间是预先分配好的�Q�deque�l�持一个固定增长率�Q�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��用vector的时候调用reserve()能够膀子我们预先分配空��_��q�将是vector一个默认选择的操作�?br>
　　当你分配很多内存单元的时候，��C��使用deque回收内存要比vector消耗时间多�?br>
　　在实验三中我们探讨了vector和deque在回攉��L��内存块上的不同，分别证明了vector在分配内存的时候是�U�性增长，而deque是指数增长，同样�Q�vector要回收的内存比deque多的多，如果你��@环调用了push_back()�Q�那么deque��获取大量的内存�Q�而且是�͘q�的。我们通过��试发现在分配内存单元消耗的旉��和vector的时间接�q��?br>
　　如果你计划��用insert()�Q�或者需要pop_front()�Q�那��׃��用deque�?br>
　　�׃��vector没有提供pop_front()函数�Q�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�ؓ什么deque在STL�c�M��要作为单独的一个类划分出来�?br>
　　对于讉K��数据�Q�vector::at()效率最高�?br>
　　在实验五中统计的数据表示�Q�所有访问数据方法的效率是非常接�q�的�Q�但是vector::at()效率最高。这是因为最优的�q��图访问时间�ؓ最低的六个西格玛倹{�?br>
　　最�?/strong>

　　我希望本文能够带你认识deque�Q�而且对它感兴��或者一个启发，�Ƣ迎�l�箋讨论关于vector和deque��M��问题和内宏V�?

微尘 2008-02-29 22:04 发表评论

CPU	1.8 GHz Pentium 4
内存	1.50 GB
操作�pȝ��	W2K-SP4
文�g中的行数	9874
�q�_��每行字母个数	1755.85
��L��件的�ơ数	45
��d��插入的数据个�?/td>	444330

deque Results
Mean	0.007089269 sec
Maximum	11.02838496 sec
Minimum	-15.25901667 sec
Std. Dev	3.3803636 sec
6-Sigma	20.2821816 sec

vector Results
Mean	-0.007122715sec
Maximum	0.283452127 sec
Minimum	-0.26724459sec
Std. Dev	0.144572356sec
6-Sigma	0.867434136sec

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�Q��{�Q�深入研�I?C++中的 STL Deque 容器