c++ 中的容器 vector、deque 和 list 的区别

  1. 表格汇总
容器存储结构随机访问性能中间插入/删除性能两端插入/删除性能内存管理特点迭代器类型适用场景
vector连续存储的动态数组 O ( 1 ) O(1) O(1) O ( n ) O(n) O(n)(需要移动元素)末尾: O ( 1 ) O(1) O(1),头部: O ( n ) O(n) O(n)空间不足时重新分配并复制元素随机访问迭代器频繁随机访问,插入/删除在末尾
deque分段连续存储 O ( 1 ) O(1) O(1)(稍逊于 vector O ( n ) O(n) O(n)(优于 vector O ( 1 ) O(1) O(1)以块为单位分配内存,空间扩展更稳定随机访问迭代器两端高效插入/删除,需一定随机访问
list双向链表,节点存储元素及前后指针 O ( n ) O(n) O(n)(需遍历) O ( 1 ) O(1) O(1)(仅需修改指针) O ( 1 ) O(1) O(1)元素节点单独分配,可能碎片化双向迭代器频繁中间插入/删除,不依赖随机访问
  1. 存储结构
    • vector
      • 是一个动态数组,元素在内存中是连续存储的。这使得它可以像数组一样支持快速的随机访问,通过下标访问元素的时间复杂度为 O ( 1 ) O(1) O(1)。例如,对于一个 std::vector<int> v;,使用 v[2] 可以快速访问第三个元素(索引从 0 开始)。
    • deque(双端队列)
      • 数据在内存中是分段连续存储的,对用户而言逻辑上是连续的。它也支持随机访问,不过效率比 vector 稍低,但仍为 O ( 1 ) O(1) O(1)。例如,对于 std::deque<int> d;,可以使用 d[3] 来访问第四个元素。
    • list(双向链表)
      • 是一个双向链表,每个元素存储在一个节点中,节点包含数据和指向前一个及后一个节点的指针。这导致它不能直接根据下标进行随机访问,访问元素需要从头部或尾部开始遍历,时间复杂度为 O ( n ) O(n) O(n),其中 n 是元素的个数。
  2. 插入和删除元素的性能
    • vector
      • 在末尾插入和删除元素通常比较快,时间复杂度为 O ( 1 ) O(1) O(1),但当元素数量达到容器的容量时,插入元素会触发扩容操作,需要重新分配内存和复制元素,性能开销较大。在中间插入或删除元素时,需要移动其后的元素,时间复杂度为 O ( n ) O(n) O(n)。例如,v.insert(v.begin() + 2, 5); 会将元素 5 插入到 v 的第三个位置,其后的元素会向后移动。
    • deque
      • 在两端插入和删除元素都非常快,时间复杂度为 O ( 1 ) O(1) O(1)。在中间插入或删除元素时,性能比 vector 好,因为不需要移动大量元素,但仍然比 list 慢,时间复杂度为 O ( n ) O(n) O(n)。例如,d.push_front(1);d.push_back(2); 分别在 deque 的前端和后端插入元素。
    • list
      • 在任何位置插入和删除元素都很快,只要有指向该位置的迭代器,时间复杂度为 O ( 1 ) O(1) O(1),因为只需要修改前后节点的指针,不涉及元素的移动。例如,对于 std::list<int> l;,使用 l.insert(l.begin(), 3); 插入元素 3 时,只需调整指针。
  3. 内存管理
    • vector
      • 当空间不足时,会分配一个更大的连续内存空间,将原元素复制过去,释放原空间。这可能导致性能开销和内存浪费(预留但未使用的空间)。例如,当 v 的元素数量超过其容量时,会重新分配更大的内存空间。
    • deque
      • 以块为单位分配内存,当需要更多空间时,会分配新的块,不需要像 vector 那样大规模复制元素,因此在空间扩展时相对更稳定。
    • list
      • 每个元素节点单独分配内存,插入元素时为新节点分配内存,不会出现 vector 那样的整体复制和重新分配问题,但可能导致内存碎片化,因为节点是分散存储的。
  4. 迭代器特性
    • vector
      • 迭代器是随机访问迭代器,可以进行加、减操作,支持 operator[]。在插入或删除元素时,可能导致迭代器失效,特别是在扩容时,迭代器和指针、引用都可能失效。
    • deque
      • 迭代器是随机访问迭代器,但在中间插入或删除元素时,部分迭代器可能失效,因为存储是分段的。
    • list
      • 迭代器是双向迭代器,只能进行前后移动,不支持 operator[]。在插入或删除元素时,只有被操作元素的迭代器失效,其他迭代器不受影响。
  5. 适用场景
    • vector
      • 适合需要频繁随机访问元素,并且元素的插入和删除操作主要在末尾进行的场景。例如,存储一组学生成绩,经常根据索引查询成绩,成绩的添加和删除多在末尾。
    • deque
      • 适用于需要在两端高效插入和删除元素,同时也需要一定程度随机访问能力的情况。例如,实现一个双端操作的队列,或者一个窗口滑动的数据结构。
    • list
      • 适用于需要频繁在容器中间插入和删除元素,对随机访问性能要求不高的情况。例如,实现一个文本编辑器中的文本行存储,频繁插入和删除行操作。

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