在日常开发中，我们经常使用数组（Array）来存储和管理数据。然而，当我们频繁地在集合的两端插入或删除元素时，数组的性能就会成为一个问题。为了解决这个问题，Swift Collections 提供了一个名为 Deque 的双端队列类型，它在效率和灵活性方面提供了更优的选择。
本文将主要介绍 Deque 是什么、它的优势、使用方式以及适用场景，希望能对你有所帮助。
什么是 Deque？
Deque 是 Double-Ended Queue 的缩写，意思是“双端队列”。它是一种支持在队列的两端进行高效插入和删除的容器。
与普通的 Swift 数组相比，Deque 特别适合需要在头部和尾部频繁操作元素的场景。比如以下的场景：
- 实现浏览器的前进/后退功能
- 滚动窗口（sliding window）算法
- 深度/广度优先搜索中维护任务队列
Swift Collections 提供的 Deque 结构，位于 swift-collections 仓库 中，是开源的。
为什么不用 Array？
在 Swift 中，Array 是一种动态数组，虽然对尾部的追加（append(_:)）非常高效，但对头部的插入或删除则可能导致整段内存的复制，从而影响性能。例如：
var array = [1, 2, 3]
array.removeFirst() // 会移动后续所有元素
如果你需要在头部频繁插入或删除，这种操作的时间复杂度是 O(n)，性能可能会随着数据量增加而显著下降。
而 Deque 在这方面就显得更加得心应手。
Deque 的核心特点
Deque 有以下几个核心特性：
-
双端高效操作
在头部或尾部插入和删除元素，平均时间复杂度为 O(1)。 -
值语义（value semantics）
和Array一样，Deque是值类型，遵循 Swift 的 copy-on-write（写时复制）策略。你可以放心地传递它而不用担心副作用。 -
遵循 Collection 协议
可以使用for-in循环、索引访问、切片等方式处理Deque的内容。 -
容量管理灵活
支持预分配容量（reserveCapacity(_:)）来优化性能，尤其在知道元素数量的场景下。
如何使用 Deque
首先需要导入 Swift Collections 库。如果你是通过 Swift Package Manager 引入的，只需要在文件顶部导入模块即可：
import DequeModule
- 创建一个 Deque
var deque: Deque<Int> = [1, 2, 3]
或使用默认构造函数：
var emptyDeque = Deque<Int>()
- 在队尾添加元素
deque.append(4) // [1, 2, 3, 4]
- 在队头添加元素
deque.prepend(0) // [0, 1, 2, 3, 4]
- 删除元素
let first = deque.removeFirst() // 返回 0，deque 变成 [1, 2, 3, 4]
let last = deque.removeLast() // 返回 4，deque 变成 [1, 2, 3]
- 支持下标访问
let item = deque[1] // 获取索引为 1 的元素：2
- 遍历 Deque
for value in deque {
print(value)
}
示例：滑动窗口最大值
在算法题中，滑动窗口（Sliding Window）常常用到双端队列。下面是一个简单示例，演示如何用 Deque 实现维护一个滑动窗口中的最大值索引：
import DequeModule
func maxSlidingWindow(_ nums: [Int], _ k: Int) -> [Int] {
var deque = Deque<Int>() // 存储索引
var result = [Int]()
for i in 0..<nums.count {
// 如果队列首部的索引不在窗口内，移除
if let first = deque.first, first <= i - k {
deque.removeFirst()
}
// 移除所有比当前值小的尾部元素
while let last = deque.last, nums[last] < nums[i] {
deque.removeLast()
}
deque.append(i)
// 记录窗口最大值
if i >= k - 1 {
result.append(nums[deque.first!])
}
}
return result
}
这个算法通过维护一个单调递减的索引队列，在每次滑动时快速获得当前窗口的最大值，时间复杂度仅为 O(n)。
性能对比
| 操作 | Array 平均复杂度 | Deque 平均复杂度 |
|---|---|---|
append() | O(1) | O(1) |
insert()/prepend() | O(n) | O(1) |
removeFirst() | O(n) | O(1) |
removeLast() | O(1) | O(1) |
| 索引访问 | O(1) | O(1) |
从上面的表格上可以看出：Deque 在对头部操作时明显优于 Array，而在索引访问和尾部操作方面则性能相近。
注意事项
虽然 Deque 功能强大，但也并非所有场景都适合使用它：
- 如果你只是在尾部操作元素，
Array已经非常高效； - 如果你需要排序功能，
Array的支持更完整； Deque并不是随机插入的理想结构（不支持在中间插入）。
总结
Deque 是 Swift Collections 中非常实用的数据结构，尤其适合需要高效双端操作的场景。它填补了 Array 无法高效支持头部操作的短板，为我们处理某些算法和队列问题提供了天然的工具。
在 Swift 项目中，如果你发现自己在频繁进行 insert(at: 0) 或 removeFirst() 操作，不妨尝试将这些代码替换为 Deque，可能会带来性能上的显著提升。
