C++ STL Deque 高频面试题与答案

[Q1: 什么是 C++ STL 中的 deque？](#Q1: 什么是 C++ STL 中的 deque？)

[Q2: deque 的内部数据结构是怎样的？](#Q2: deque 的内部数据结构是怎样的？)

[Q3: deque 主要操作的时间复杂度是多少？](#Q3: deque 主要操作的时间复杂度是多少？)

[Q4: deque 和 vector 有什么主要区别？](#Q4: deque 和 vector 有什么主要区别？)

[Q5: deque 和 list 有什么主要区别？](#Q5: deque 和 list 有什么主要区别？)

[Q6: deque 的迭代器失效规则是怎样的？](#Q6: deque 的迭代器失效规则是怎样的？)

[Q7: 什么时候应该使用 deque？](#Q7: 什么时候应该使用 deque？)

deque（double-ended queue，双端队列）是 C++ STL 中一个非常有用的序列容器。它允许在序列的两端（前端和后端）进行快速的插入和删除操作。

A1: deque 是一个序列容器，它支持在容器的两端（前端和后端）进行高效的插入和删除操作。它也支持通过索引（[] 或 .at()）进行快速的随机访问。

它的行为就像一个 vector 和 list 的混合体，提供了类似 vector 的随机访问能力，又具备了类似 list 的两端高效插入/删除能力。

A2: deque 的内部实现通常比 vector 复杂。它不是一块连续的内存。

相反，deque 内部通常由一个"中控器 "（或称为"map "，但这里的 map 不是 std::map）来管理。这个中控器是一个指针数组（或指针的指针），它指向多个固定大小的内存块（chunks/blocks）。

当在 deque 的前端或后端插入元素时：

这种分块的结构使得它可以在两端高效地增长，而不需要像 vector 那样移动所有元素。

A3:

操作	时间复杂度	备注
随机访问 (`[]`, `.at()`)	$O(1)$	几乎是 $O(1)$ 。严格来说，它需要一次中控器索引和一次数据块内偏移，但都是常数时间。
前端插入/删除 (`push_front`, `pop_front`)	$O(1)$ (均摊)	均摊复杂度。在大多数情况下是 $O(1)$ ，但如果需要分配新数据块或扩展中控器，则会产生额外开销。
后端插入/删除 (`push_back`, `pop_back`)	$O(1)$ (均摊)	同上。
中间插入/删除	$O(N)$	$N$ 是 `deque` 中元素的数量。这涉及移动插入/删除点之后（或之前）的所有元素，效率很低。

A4: 这是最常被问到的问题之一。

特性	`vector` (动态数组)	`deque` (双端队列)
内存布局	连续内存 (所有元素在一整块内存中)	分块的连续内存 (通过中控器管理多个数据块)
前端插入/删除	$O(N)$ (效率极低，需移动所有元素)	$O(1)$ (均摊，非常高效)
后端插入/删除	$O(1)$ (均摊)	$O(1)$ (均摊)
中间插入/删除	$O(N)$	$O(N)$ (通常比 `vector` 慢，因为可能涉及跨数据块的移动)
随机访问	$O(1)$ (最快，一次指针偏移)	$O(1)$ (也很快，但比 `vector` 略慢，涉及两次指针操作)
内存重新分配	当容量不足时，重新分配一块更大的内存，并移动所有元素。	在两端添加时，只需分配新的数据块，无需移动已有元素。仅当中控器满时才需重新分配中控器。
迭代器	连续内存，是普通的指针。	非普通指针，是一个特殊的类，内部维护指向中控器、数据块和当前元素的指针。

总结：

A5:

特性	`list` (双向链表)	`deque` (双端队列)
内存布局	非连续内存 (每个节点单独分配)	分块的连续内存
随机访问	$O(N)$ (不支持 `[]`，只能遍历)	$O(1)$ (支持 `[]`，非常高效)
前端插入/删除	$O(1)$ (常数时间)	$O(1)$ (均摊常数时间)
后端插入/删除	$O(1)$ (常数时间)	$O(1)$ (均摊常数时间)
中间插入/删除	$O(1)$ (如果已有迭代器指向该位置)	$O(N)$ (效率很低)
迭代器失效	非常稳定。插入操作不会使迭代器失效；删除操作仅使指向被删除元素的迭代器失效。	不稳定。见 Q6。
内存开销	高。每个元素都有额外的指针开销 (前驱和后继)。	中等。有中控器和数据块管理的开销，但分摊到每个元素上通常比 `list` 少。

总结：

A6: deque 的迭代器失效规则比较复杂，介于 vector 和 list 之间：

在两端插入 (push_front, push_back)：
- 迭代器 ：所有已存在的迭代器都失效。（因为中控器（map）可能会被重新分配和拷贝，导致迭代器内部指向中控器的指针失效）。
- 引用和指针 ：不会失效。（因为数据块本身没有被移动）。
在两端删除 (pop_front, pop_back)：
- 迭代器 ：仅指向被删除元素的迭代器失效。
- 引用和指针 ：仅指向被删除元素的引用和指针失效。
在中间插入：
- 所有迭代器、引用和指针都失效。
在中间删除：
- 所有迭代器、引用和指针都失效。

注意： deque 在两端插入时迭代器会失效，这是它与 vector（后端插入时，若未扩容则迭代器不失效）的一个重要区别，也是面试中容易出错的地方。

A7: 当你的应用场景满足以下一个或多个条件时，应优先考虑 deque：

经典用例：

实现一个队列（Queue） ：std::queue 默认就是使用 deque 作为其底层容器的。
实现一个滑动窗口（Sliding Window）算法：例如"求窗口中的最大值"，需要在窗口滑动时（一端出、一端进）高效操作，同时可能需要访问窗口内的元素。
任务调度队列。