C++ STL deque容器底层实现原理

C++ STL（Standard Template Library）中的deque（双端队列）是一种序列式容器，支持在两端进行高效的插入和删除操作。deque的底层实现原理相对复杂，它通常使用多个连续的内存块（buffer）来存储元素。

deque的底层结构一般由一个中央控制器（map）和多个缓冲区（buffer）组成。中央控制器是一个指针数组，每个指针指向一个缓冲区。缓冲区是一块连续的内存空间，用于存储元素。

当向deque的前端或后端插入元素时，deque会根据需要进行动态内存分配，以确保有足够的缓冲区可用。如果中央控制器的指针数组没有被填满，且插入位置在已有缓冲区的边界内，则直接在相应的缓冲区进行插入操作。如果插入位置超出了已有缓冲区的边界，则会分配一个新的缓冲区，并更新中央控制器的指针数组。

当需要删除元素时，deque会根据删除位置所在的缓冲区情况进行相应的处理。如果删除位置在中央控制器的指针数组的边界内，且相应缓冲区中还有其他元素，则直接在相应的缓冲区进行删除操作。如果删除位置是某个缓冲区的边界，且该缓冲区是中央控制器的第一个或最后一个缓冲区，则会释放相应的缓冲区，并更新中央控制器的指针数组。

由于deque的缓冲区是连续的内存块，使得deque支持随机访问和快速的插入/删除操作。然而，与vector相比，deque在内存使用上更为灵活，因为它可以在中央控制器的指针数组中增加或删除指针，而不需要移动元素。

需要注意的是，deque并不保证所有的元素在内存中是连续存储的，因此不能像vector那样直接通过指针算术运算来访问元素。而是通过中央控制器和缓冲区的指针关系来实现对元素的访问。

这就是deque底层实现的简要原理。通过中央控制器和多个缓冲区的组合，deque在提供高效插入/删除操作的同时，也保证了内存的灵活使用。

通过一个简单的例子来说明deque的底层实现原理。

假设有一个deque，并向其前端和后端插入一些元素。开始时，deque是空的，中央控制器的指针数组为空，没有缓冲区。

1. 插入元素到前端：

   插入元素1到前端，deque会创建一个缓冲区，并将元素1存储在其中。此时，中央控制器的指针数组会指向这个缓冲区。

   deque: [1]
   Map: [Buffer1]

3. 插入元素到后端：

   然后，我们插入元素2到后端。由于缓冲区中还有空间，元素2会直接存储在该缓冲区中。

   deque: [1, 2]
   Map: [Buffer1]

5. 继续插入元素到后端：

   接下来，我们再次插入元素3到后端。由于缓冲区已满，deque会创建一个新的缓冲区，并将元素3存储在其中。此时，中央控制器的指针数组会指向两个缓冲区。

   deque: [1, 2, 3]
   Map: [Buffer1, Buffer2]

7. 插入元素到前端：

   现在，我们在前端插入元素0。由于缓冲区中还有空间，元素0会直接存储在该缓冲区中。

   deque: [0, 1, 2, 3]
   Map: [Buffer1, Buffer2]

9. 继续插入元素到前端：

   再次在前端插入元素-1，由于缓冲区已满，deque会创建一个新的缓冲区，并将元素-1存储在其中。此时，中央控制器的指针数组会指向三个缓冲区。

   deque: [-1, 0, 1, 2, 3]
   Map: [Buffer1, Buffer2, Buffer3]

在这个例子中，可以看到deque根据需要动态地创建和释放缓冲区，通过中央控制器的指针数组来管理这些缓冲区。这种方式使得deque能够在两端高效地插入和删除元素，并且能够灵活地利用内存空间。