vector、list、deque的差异

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

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）。