C++之标准库中string的底层实现方式

news2024/11/19 9:28:50

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1、Eager Copy(深拷贝)

2、COW(Copy-On-Write)写时复制

2.1写时复制的实现

3、SSO（Short String Optimization)短字符串优化

4、最佳策略

5、线程安全性

我们都知道， std::string的一些基本功能和用法了，但它底层到底是如何实现的呢? 其实在std::string的历史中，出现过几种不同的方式。下面我们来一一揭晓。
我们可以从一个简单的问题来探索，一个std::string对象占据的内存空间有多大，即sizeof(std::string)的值为多大？如果我们在不同的编译器（VC++, GNU, Clang++）上去测试，可能会发现其值并不相同；即使是GNU，不同的版本，获取的值也是不同的。

虽然历史上的实现有多种，但基本上有三种方式：
Eager Copy(深拷贝)
COW（Copy-On-Write 写时复制）
SSO(Short String Optimization-短字符串优化)
每种实现，std::string都包含了下面的信息：
1.字符串的大小
2.能够容纳的字符数量
3.字符串内容本身

1、Eager Copy(深拷贝)

最简单的就是深拷贝了。无论什么情况，都是采用拷贝字符串内容的方式解决，这也是我们之前已经实现过的方式。这种实现方式，在需要对字符串进行频繁复制而又并不改变字符串内容时，效率比较低下。所以需要对其实现进行优化，之后便出现了下面的COW的实现方式。

class String
{
 public:
  String(const String &rhs)
 : _pstr(new char[strlen(rhs._pstr) + 1]())
 {
    strcpy(_pstr, rhs._pstr);
 }
private:
  char *_pstr;
};

2、COW(Copy-On-Write)写时复制

当两个std::string发生复制构造或者赋值时，不会复制字符串内容，而是增加一个引用计数，然后字符串指针进行浅拷贝，其执行效率为O(1)。只有当需要修改其中一个字符串内容时，才执行真正的复制。其实现的示意图，有下面形式：

为了实现的简单，在GNU4.8.4的中，采用的是这种形式。从上面的实现，我们看到引用计数并没有与std::string的数据成员放在一起，为什么呢？大家可以思考一下。
当执行复制构造或赋值时，引用计数加1，std::string对象共享字符串内容；当std::string对象销毁时，并不直接释放字符串所在的空间，而是先将引用计数减1，直到引用计数为0时，则真正释放字符串内容所在的空间。根据这个思路，大家可以自己动手实现一下。
大家再思考一下，既然涉及到了引用计数，那么在多线程环境下，涉及到修改引用计数的操作，是否是线程安全的呢？为了解决这个问题，GNU4.8.4的实现中，采用了原子操作。

总结:当只是进行读操作的时候就进行浅拷贝，然后如果需要进行写操作的时候，再进行深拷贝。实现方式使用浅拷贝加上引用计数。

2.1写时复制的实现

代码:

#include <string.h>
#include <iostream>

using std::cout;
using std::endl;

class String
{
public:
	String()
		: _pstr(new char[5]() + 4)
	{
		cout << "String()" << endl;
		initRefCount();
	}

	String(const char *pstr)
		: _pstr(new char[strlen(pstr) + 5]() + 4)
	{
		cout << "String(const char *)" << endl;
		strcpy(_pstr, pstr);
		initRefCount();
	}

	//String s2 = s1;
	String(const String &rhs)
		: _pstr(rhs._pstr)
	{
		cout << "String(const String &)" << endl;
		increseRefCount();
	}

	//s3 = s1;
	String &operator=(const String &rhs)
	{
		cout << "String &operator=(const String &)" << endl;
		//1、自复制
		if (this != &rhs)
		{
			//2、释放左操作数
			release();

			//3、浅拷贝
			_pstr = rhs._pstr;
			increseRefCount();
		}

		//4、返回*this
		return *this;
	}

private:
	//s3[0] = 'H'
	class CharProxy
	{
	public:
		CharProxy(String &self, size_t idx)
			: _self(self)
			, _idx(idx)
		{

		}
		//写操作
		char &operator=(const char &ch);
		//读操作
		/* friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const CharProxy &rhs); */
		operator char()//利用由自定义类型向其他类型转换的思想
		{
			cout << "operator char()" << endl;
			return _self._pstr[_idx];
		}
	private:
		String &_self;
		size_t _idx;

	};

public:
	//代理模式
	CharProxy operator[](size_t idx)
	{
		return CharProxy(*this, idx);//方括号运算符执行构造函数
	}

#if 0
	//s3 = s1;
	//s3[0] = 'H'
	char &operator[](size_t idx)
	{
		if (idx < size())
		{
			if (getRefCount() > 1)//共享的
			{
				//深拷贝
				char *tmp = new char[size() + 5]() + 4;
				strcpy(tmp, _pstr);
				//引用计数--
				descreRefCount();

				//浅拷贝
				_pstr = tmp;
				//初始化引用计数
				initRefCount();
			}
			return _pstr[idx];
		}
		else
		{
			static char charNull = '\0';
			return charNull;
		}
	}
#endif

	~String()
	{
		cout << "~String()" << endl;
		release();
	}

	//获取引用计数
	int getRefCount() const
	{
		return *(int *)(_pstr - 4);
	}

	//获取底层的指针
	const char *c_str() const
	{
		return _pstr;
	}

private:
	size_t size() const//字符串的长度
	{
		return strlen(_pstr);
	}

	void initRefCount()//初始化引用技术
	{
		*(int *)(_pstr - 4) = 1;
	}

	void increseRefCount()//增加引用计数
	{
		++*(int *)(_pstr - 4);
	}

	void descreRefCount()//减少引用计数
	{
		--*(int *)(_pstr - 4);
	}

	//释放
	void release()
	{
		descreRefCount();
		if (0 == getRefCount())
		{
			delete[](_pstr - 4);
		}
	}

	friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const String &rhs);
	//本身是CharProxy中的友元
	/* friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const String::CharProxy &rhs); */
private:
	char *_pstr;
};

std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const String &rhs)
{
	if (rhs._pstr)
	{
		os << rhs._pstr;
	}
	return os;
}

//写操作
//CharProxy = 'H'
char &String::CharProxy::operator=(const char &ch)//注意这一句的书写
{
	if (_idx < _self.size())
	{
		if (_self.getRefCount() > 1)//共享的
		{
			//深拷贝
			char *tmp = new char[_self.size() + 5]() + 4;
			strcpy(tmp, _self._pstr);
			//引用计数--
			_self.descreRefCount();

			//浅拷贝
			_self._pstr = tmp;
			//初始化引用计数
			_self.initRefCount();
		}
		_self._pstr[_idx] = ch;//真正的进行写操作
		return _self._pstr[_idx];
	}
	else
	{
		static char charNull = '\0';
		return charNull;
	}
}

#if 0
std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const String::CharProxy &rhs)
{
	os << rhs._self._pstr[rhs._idx];

	return os;
}
#endif

void test()
{
	String s1("hello");
	cout << "s1 = " << s1 << endl;
	cout << "s1.getRefCount() = " << s1.getRefCount() << endl;
	printf("s1'address = %p\n", s1.c_str());

	cout << endl << endl;
	String s2 = s1;
	cout << "s1 = " << s1 << endl;
	cout << "s2 = " << s2 << endl;
	cout << "s1.getRefCount() = " << s1.getRefCount() << endl;
	cout << "s2.getRefCount() = " << s2.getRefCount() << endl;
	printf("s1'address = %p\n", s1.c_str());
	printf("s2'address = %p\n", s2.c_str());

	cout << endl << endl;
	String s3("world");
	cout << "s3 = " << s3 << endl;
	cout << "s3.getRefCount() = " << s3.getRefCount() << endl;
	printf("s3'address = %p\n", s3.c_str());

	cout << endl << endl;
	s3 = s1;
	cout << "s1 = " << s1 << endl;
	cout << "s2 = " << s2 << endl;
	cout << "s3 = " << s3 << endl;
	cout << "s1.getRefCount() = " << s1.getRefCount() << endl;
	cout << "s2.getRefCount() = " << s2.getRefCount() << endl;
	cout << "s3.getRefCount() = " << s3.getRefCount() << endl;
	printf("s1'address = %p\n", s1.c_str());
	printf("s2'address = %p\n", s2.c_str());
	printf("s3'address = %p\n", s3.c_str());

	cout << endl << "对s3[0]执行写操作" << endl;
	//s3.operator[](idx)
	//CharProxy = char
	s3[0] = 'H';//char = char   char ===>CharProxy
	cout << "s1 = " << s1 << endl;
	cout << "s2 = " << s2 << endl;
	cout << "s3 = " << s3 << endl;
	cout << "s1.getRefCount() = " << s1.getRefCount() << endl;
	cout << "s2.getRefCount() = " << s2.getRefCount() << endl;
	cout << "s3.getRefCount() = " << s3.getRefCount() << endl;
	printf("s1'address = %p\n", s1.c_str());
	printf("s2'address = %p\n", s2.c_str());
	printf("s3'address = %p\n", s3.c_str());

	cout << endl << "对s1[0]执行读操作" << endl;
	//cout << CharProxy
	//输出单个字符的时候会进行类型的强转,执行operator char()函数
	cout << "s1[0] = " << s1[0] << endl;//cout << CharProxy===>char
	cout << "s1 = " << s1 << endl;
	cout << "s2 = " << s2 << endl;
	cout << "s3 = " << s3 << endl;
	cout << "s1.getRefCount() = " << s1.getRefCount() << endl;
	cout << "s2.getRefCount() = " << s2.getRefCount() << endl;
	cout << "s3.getRefCount() = " << s3.getRefCount() << endl;
	printf("s1'address = %p\n", s1.c_str());
	printf("s2'address = %p\n", s2.c_str());
	printf("s3'address = %p\n", s3.c_str());
}

int main(int argc, char **argv)
{
	test();
	return 0;
}

运行结果:

String(const char *)
s1 = hello
s1.getRefCount() = 1
s1'address = 00F71134


String(const String &)
s1 = hello
s2 = hello
s1.getRefCount() = 2
s2.getRefCount() = 2
s1'address = 00F71134
s2'address = 00F71134


String(const char *)
s3 = world
s3.getRefCount() = 1
s3'address = 00F7155C


String &operator=(const String &)
s1 = hello
s2 = hello
s3 = hello
s1.getRefCount() = 3
s2.getRefCount() = 3
s3.getRefCount() = 3
s1'address = 00F71134
s2'address = 00F71134
s3'address = 00F71134

对s3[0]执行写操作
s1 = hello
s2 = hello
s3 = Hello
s1.getRefCount() = 2
s2.getRefCount() = 2
s3.getRefCount() = 1
s1'address = 00F71134
s2'address = 00F71134
s3'address = 00F70ECC

对s1[0]执行读操作
operator char()
s1[0] = h
s1 = hello
s2 = hello
s3 = Hello
s1.getRefCount() = 2
s2.getRefCount() = 2
s3.getRefCount() = 1
s1'address = 00F71134
s2'address = 00F71134
s3'address = 00F70ECC
~String()
~String()
~String()

F:\Re-exam test\C study\2024-1-17\Debug\2024-1-17.exe (进程 12224)已退出，返回代码为: 0。
按任意键关闭此窗口...

3、SSO（Short String Optimization)短字符串优化

目前，在VC++、GNU5.x.x以上、Clang++上，std::string实现均采用了SSO的实现。
通常来说，一个程序里用到的字符串大部分都很短小，而在64位机器上，一个char*指针就占用了8个字节，所以SSO就出现了，其核心思想是：发生拷贝时要复制一个指针，对小字符串来说，为啥不直接复制整个字符串呢，说不定还没有复制一个指针的代价大。其实现示意图如下：

当字符串的长度小于等于15个字节时，buffer直接存放整个字符串；当字符串大于15个字节时，buffer存放的就是一个指针，指向堆空间的区域。这样做的好处是，当字符串较小时，直接拷贝字符串，放在string内部，不用获取堆空间，开销小。

总结:当字符串的长度小于16字节的时候，存放在栈上；当字符串的长度大于16字节的时候，就放在堆上

4、最佳策略

以上三种方式，都不能解决所有可能遇到的字符串的情况，各有所长，又各有缺陷。综合考虑所有情况之后，facebook开源的folly库中，实现了一个fbstring, 它根据字符串的不同长度使用不同的拷贝策略，最终每个fbstring对象占据的空间大小都是24字节。
1. 很短的（0~22）字符串用SSO，23字节表示字符串（包括'\0'）,1字节表示长度
2. 中等长度的（23~255）字符串用eager copy，8字节字符串指针，8字节size，8字节capacity.
3. 很长的(大于255)字符串用COW, 8字节指针（字符串和引用计数），8字节size，8字节capacity.

5、线程安全性

两个线程同时对同一个字符串进行操作的话, 是不可能线程安全的, 出于性能考虑, C++并没有为string实现线程安全, 毕竟不是所有程序都要用到多线程。
但是两个线程同时对独立的两个string操作时, 必须是安全的. COW技术实现这一点是通过原子的对引用计数进行+1或-1操作。

CPU的原子操作虽然比mutex锁好多了, 但是仍然会带来性能损失, 原因如下:
1.阻止了CPU的乱性执行.
2.两个CPU对同一个地址进行原子操作, 会导致cache失效, 从而重新从内存中读数据.
3.系统通常会lock住比目标地址更大的一片区域，影响逻辑上不相关的地址访问
这也是在多核时代，各大编译器厂商都选择了SS0实现的原因。

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