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深入剖析 linux GCC 4.4 的 STL string

本文通过研究STL源码来剖析C++中标准模板块库std::string运行机理，重点研究了其中的引用计数和Copy-On-Write技术。

平台：x86_64-redhat-linux
gcc version 4.4.6 20110731 (Red Hat 4.4.6-3) (GCC)

1. 问题提出

最近在我们的项目当中，出现了两次与使用string相关的问题。

1.1. 问题1：新代码引入的Bug

前一段时间有一个老项目来一个新需求，我们新增了一些代码逻辑来处理这个新需求。测试阶段没有问题，但上线之后，偶尔会引起错误的逻辑输出甚至崩溃。这个问题困扰着我们很久。我们对新增代码做周详单元测试和集成测试都没有发现问题，最后只能逼迫我们去看那一大段未修改过原始代码逻辑。该项目中经常会碰到使用string，原始代码中有这样一段逻辑引起了我们的怀疑：

 1string string_info;
 2//... 对string_info的赋值操作
 3char* p = (char*)string_info.data();

在严格的检查下和逻辑判断后，某些逻辑分支会对p指向的内容进行一些修改。这样虽然危险，但一直工作正常。联想到我们最近的修改：将string_info这个string对象拷贝了一份，然后进行一些处理。我们意识到string的Copy-On-Write和引用计数技术可能会导致我们拷贝的这个string并没有真正的实现数据拷贝。在做了一些测试和研究之后，我们确信了这一点。如是对上述代码进行了修正处理如下：

`1`	`char* p = &(string_info[0]);`

然后对项目类似的地方都做了这样的处理之后，测试，上线，一切OK，太完美了。

1.2. 问题2：性能优化

最近做一个项目的重构，对相关代码进行性能分析profile时发现memcpy的CPU占比比较高，达到8.7%，仔细检查代码中，发现现有代码大量的map查找操作。map定义如下：

 1typedef std::map ssmap;
 2ssmap info_map;

查找的操作如下：

`1`	`info_map["some_key"] = some_value;`

我们不经意间就会写出上述代码，如果改为下述代码，性能会好很多：

 1static const std::string __s_some_key   = "some_key";
 2info_map[__s_some_key] = some_value;

这是因为第一种代码，每次查找都构造一个临时的string对象，同时会将“some_key”这个字符串拷贝一份。修改之后的代码，只需要在第一次初始化时候构造一次，以后每次调用都不会进行拷贝，因此效率上要好很多。类似代码都经过这样优化之后，memcpy的CPU占比下来了，降到4.3%。

下面我们通过深入string的源码内部来解释上述两个问题的解决过程和思路。

2. std::string定义

STL中的字符串类string的定义如下：

 1template<typename _CharT, typename _Traits , typename _Alloc> class basic_string;
 2typedef basic_string <char, char_traits<char >, allocator< char> > string;

不难发现string在栈内存空间上只占用一个指针(_CharT* _M_p)的大小空间，因此sizeof(string)==8。其他信息都存储在堆内存空间上。

问题1：
我们有下面这一条C++语句：

`1`	`string name;`

请问，name这个变量总共带来多大的内存开销？这个问题我们稍后解答。

3. std::string内存空间布局

下面我们通过常见的用法来剖析一下string对象内部内存空间布局情况。
最常见的string用法是通过c风格字符串构造一个string对象，例如：
string name(“zieckey”);

其调用的构造函数定义如下：

 1basic_string(const _CharT* __s, const _Alloc& __a)
 2: _M_dataplus( _S_construct(__s , __s ? __s + traits_type ::length( __s) :
 3              __s + npos , __a), __a)
 4{}

该构造函数直接调用 _S_construct 来构造这个对象，定义如下：

 01template<typename _CharT, typename _Traits , typename _Alloc>
 02template<typename _InIterator>
 03_CharT*
 04basic_string<_CharT , _Traits, _Alloc>::
 05_S_construct(_InIterator __beg, _InIterator __end , const _Alloc& __a ,
 06             input_iterator_tag)
 07{
 08    // Avoid reallocation for common case.
 09    _CharT __buf[128];
 10    size_type __len = 0;
 11    while ( __beg != __end && __len < sizeof(__buf ) / sizeof( _CharT))
 12    {
 13        __buf[__len ++] = *__beg;
 14        ++ __beg;
 15    }
 16 
 17    //构造一个 _Rep 结构体，同时分配足够的空间，具体见下面内存映像图示
 18    _Rep* __r = _Rep ::_S_create( __len, size_type (0), __a);
 19 
 20    //拷贝数据到 string对象内部
 21    _M_copy( __r->_M_refdata (), __buf, __len);
 22    __try
 23    {
 24        while (__beg != __end)
 25        {
 26            if (__len == __r-> _M_capacity)
 27            {
 28                // Allocate more space.
 29                _Rep* __another = _Rep:: _S_create(__len + 1, __len, __a);
 30                _M_copy(__another ->_M_refdata(), __r->_M_refdata (), __len);
 31                __r->_M_destroy (__a);
 32                __r = __another ;
 33            }
 34            __r->_M_refdata ()[__len++] = * __beg;
 35            ++ __beg;
 36        }
 37    }
 38    __catch(...)
 39    {
 40        __r->_M_destroy (__a);
 41        __throw_exception_again;
 42    }
 43    //设置字符串长度、引用计数以及赋值最后一个字节为结尾符 char_type()
 44    __r-> _M_set_length_and_sharable(__len );
 45 
 46    //最后，返回字符串第一个字符的地址
 47    return __r->_M_refdata ();
 48}
 49 
 50template<typename _CharT, typename _Traits , typename _Alloc>
 51typename basic_string <_CharT, _Traits, _Alloc >::_Rep*
 52basic_string<_CharT , _Traits, _Alloc>::_Rep ::
 53_S_create(size_type __capacity, size_type __old_capacity ,
 54          const _Alloc & __alloc)
 55{
 56    // 需要分配的空间包括：
 57    //  一个数组 char_type[__capacity]
 58    //  一个额外的结尾符 char_type()
 59    //  一个足以容纳 struct _Rep 空间
 60    // Whew. Seemingly so needy, yet so elemental.
 61    size_type __size = (__capacity + 1) * sizeof( _CharT) + sizeof (_Rep);
 62 
 63    void* __place = _Raw_bytes_alloc (__alloc). allocate(__size ); //申请空间
 64 
 65    _Rep * __p = new (__place) _Rep;// 在地址__place 空间上直接 new对象( 称为placement new)
 66    __p-> _M_capacity = __capacity ;
 67    __p-> _M_set_sharable();// 设置引用计数为0，标明该对象只为自己所有
 68    return __p;
 69}

_Rep定义如下：

 1struct _Rep_base
 2{
 3    size_type               _M_length;
 4    size_type               _M_capacity;
 5    _Atomic_word            _M_refcount;
 6};

至此，我们可以回答上面“问题1”中提出的问题：
上文中”string name;”这个name对象所占用的总空间为33个字节，具体如下：

`1`	`sizeof(std::string) + 0 +` `sizeof('') +` `sizeof(std::string::_Rep)`

其中：sizeof(std::string)为栈空间

上文中的提到的另一条C++语句 string name(“zieckey”); 定义了一个string变量name，其内存空间布局如下：

4. 深入string内部源码

4.1. string copy与strncpy

长期以来，经常看到有人对std::string赋值拷贝与strncpy之间的效率进行比较和讨论。下面我们通过测试用例来进行一个基本的测试：

 01#include<iostream>
 02#include<cstdlib>
 03#include<string>
 04#include<ctime>
 05#include<cstring>
 06 
 07using namespace std;
 08 
 09const int array_size = 200;
 10const int loop_count = 1000000;
 11 
 12void test_strncpy ()
 13{
 14    char s1[array_size ];
 15    char* s2= new char[ array_size];
 16    memset( s2, 'c' , array_size);
 17    size_t start=clock ();
 18    for( int i =0;i!= loop_count;++i ) strncpy( s1,s2 , array_size);
 19    cout<< __func__ << " : " << clock()- start<<endl ;
 20    delete s2;
 21    s2 = NULL;
 22}
 23 
 24void test_string_copy ()
 25{
 26    string s1;
 27    string s2;
 28    s2. append(array_size , 'c');
 29    size_t start=clock ();
 30    for( int i =0;i!= loop_count;++i ) s1= s2;
 31    cout<< __func__ << " : " << clock()- start<<endl ;
 32}
 33 
 34int main ()
 35{
 36    test_strncpy();
 37    test_string_copy();
 38    return 0;
 39}

使用g++ -O3编译，运行时间如下：

test_strncpy : 40000
test_string_copy : 10000

字符串strncpy的运行时间居然是string copy的4倍。究其原因就是因为，string copy是基于引用计数技术，每次copy的代价非常小。
测试中我们还发现，如果array_size在10个字节以内的话，两者相差不大，随着array_size的变大，两者的差距也越来越大。例如，在array_size=1000的时候，strncpy就要慢13倍。

4.2. 通过GDB调试查看引用计数变化

上面的测试结论非常好，打消了大家对string性能问题的担忧。下面我们通过一段程序来验证引用计数在这一过程中的变化和作用。
请先看一段测试代码：

 01#include <assert.h>
 02#include <iostream>
 03#include <string>
 04 
 05using namespace std;
 06 
 07int main ()
 08{
 09    string a = "0123456789abcdef" ;
 10    string b = a ;
 11    cout << "a.data() =" << (void *)a. data() << endl ;
 12    cout << "b.data() =" << (void *)b. data() << endl ;
 13    assert( a.data () == b. data());
 14    cout << endl;
 15 
 16    string c = a ;
 17    cout << "a.data() =" << (void *)a. data() << endl ;
 18    cout << "b.data() =" << (void *)b. data() << endl ;
 19    cout << "c.data() =" << (void *)c. data() << endl ;
 20    assert( a.data () == c. data());
 21 
 22    cout << endl;
 23    c[0] = '1';
 24    cout << "after write:\n";
 25    cout << "a.data() =" << (void *)a. data() << endl ;
 26    cout << "b.data() =" << (void *)b. data() << endl ;
 27    cout << "c.data() =" << (void *)c. data() << endl ;
 28    assert( a.data () != c. data() && a .data() == b.data ());
 29    return 0;
 30}

运行之后，输出：

a.data() =0xc22028
b.data() =0xc22028

a.data() =0xc22028
b.data() =0xc22028
c.data() =0xc22028

after write:
a.data() =0xc22028
b.data() =0xc22028
c.data() =0xc22068

上述代码运行的结果输出反应出，在我们对b、c赋值之后，a、b、c三个string对象的内部数据的内存地址都是一样的。只有当我们对c对象进行修改之后，c对象的内部数据的内存地址才不一样，这一点是是如何做到的呢？

我们通过gdb调试来验证引用计数在上述代码执行过程中的变化：

 01(gdb) b 10
 02Breakpoint 1 at 0x400c35: file string_copy1.cc, line 10.
 03(gdb) b 16
 04Breakpoint 2 at 0x400d24: file string_copy1.cc, line 16.
 05(gdb) b 23
 06Breakpoint 3 at 0x400e55: file string_copy1.cc, line 23.
 07(gdb) r
 08Starting program: [...]/unixstudycode/string_copy/string_copy1
 09[Thread debugging using libthread_db enabled]
 10 
 11Breakpoint 1, main () at string_copy1.cc:10
 1210          string b = a;
 13 
 14(gdb) x/16uba._M_dataplus._M_p-8      
 150x602020:       0       0       0       0       0       0       0       0
 160x602028:       48      49      50      51      52      53      54      55

此时对象a的引用计数是0

 1(gdb) n                                
 211          cout &lt;&lt; "a.data() =" &lt;&lt; (void*)a.data() &lt;&lt; endl;

b=a 将a赋值给b，string copy

 1(gdb) x/16ub a._M_dataplus._M_p-8
 20x602020:       1       0       0       0       0       0       0       0
 30x602028:       48      49      50      51      52      53      54      55

此时对象a的引用计数变为1，表明有另一个对象共享该对象a

 01(gdb) c
 02Continuing.
 03a.data() =0x602028
 04b.data() =0x602028
 05 
 06Breakpoint 2, main () at string_copy1.cc:16
 0716          string c = a;
 08(gdb) x/16ub a._M_dataplus._M_p-8
 090x602020:       1       0       0       0       0       0       0       0
 100x602028:       48      49      50      51      52      53      54      55
 11(gdb) n
 1217          cout &lt;&lt; "a.data() =" &lt;&lt; (void*)a.data() &lt;&lt; endl;

c=a 将a赋值给c，string copy

 1(gdb) x/16ub a._M_dataplus._M_p-8
 20x602020:       2       0       0       0       0       0       0       0
 30x602028:       48      49      50      51      52      53      54      55

此时对象a的引用计数变为2，表明有另外2个对象共享该对象a

 01(gdb) c
 02Continuing.
 03a.data() =0x602028
 04b.data() =0x602028
 05c.data() =0x602028
 06 
 07Breakpoint 3, main () at string_copy1.cc:23
 0823          c[0] = '1';
 09(gdb) n
 1024          cout &lt;&lt; "after write:\n";

对c的值进行修改

 1(gdb) x/16ub a._M_dataplus._M_p-8
 20x602020:       1       0       0       0       0       0       0       0
 30x602028:       48      49      50      51      52      53      54      55

此时对象a的引用计数变为1

 1(gdb) p a._M_dataplus._M_p      
 2$3 = 0x602028 "0123456789abcdef"
 3(gdb) p b._M_dataplus._M_p
 4$4 = 0x602028 "0123456789abcdef"
 5(gdb) p c._M_dataplus._M_p
 6$5 = 0x602068 "1123456789abcdef"

此时对象c的内部数据内存地址已经与a、b不同了，即Copy-On-Write

上述GDB调试过程，清晰的验证了3个string对象a b c的通过引用计数技术联系在一起。

4.3. 源码分析string copy

下面我们阅读源码来分析。上述过程。
先看string copy过程的源码：

 01//拷贝构造函数
 02basic_string(const basic_string& __str)
 03: _M_dataplus( __str._M_rep ()->_M_grab( _Alloc(__str .get_allocator()),
 04              __str.get_allocator ()),
 05              __str.get_allocator ())
 06{}
 07 
 08_CharT* _M_grab(const _Alloc& __alloc1, const _Alloc& __alloc2)
 09{
 10    return (! _M_is_leaked() && __alloc1 == __alloc2)
 11        ? _M_refcopy() : _M_clone (__alloc1);
 12}
 13 
 14_CharT*_M_refcopy() throw ()
 15{
 16#ifndef _GLIBCXX_FULLY_DYNAMIC_STRING
 17    if ( __builtin_expect(this != &_S_empty_rep(), false))
 18#endif
 19        __gnu_cxx::__atomic_add_dispatch (&this-> _M_refcount, 1);
 20    return _M_refdata();
 21}

上面几段源代码比较好理解，先后调用了basic_string (const basic_string& __str )拷贝构造函数、_M_grab、_M_refcopy，
_M_refcopy实际上就是调用原子操作__atomic_add_dispatch (确保线程安全)将引用计数+1，然后返回原对象的数据地址。
由此可以看到，string对象之间的拷贝/赋值代价非常非常小。

几个赋值语句之后，a、b、c对象的内存空间布局如下图所示：

4.4. Copy-On-Write

下面再来看”c[0] = ‘1’; “做了些什么：

 01reference operator []( size_type __pos )
 02{
 03    _M_leak();
 04    return _M_data ()[__pos ];
 05}
 06 
 07void _M_leak ()    // for use in begin() & non-const op[]
 08{
 09    //前面看到 c 对象在此时实际上与a对象的数据实际上指向同一块内存区域
 10    //因此会调用 _M_leak_hard()
 11    if (! _M_rep ()->_M_is_leaked ())
 12        _M_leak_hard ();
 13}
 14 
 15void _M_leak_hard ()
 16{
 17    if ( _M_rep ()->_M_is_shared ())
 18        _M_mutate (0, 0, 0);
 19    _M_rep()-> _M_set_leaked ();
 20}
 21 
 22void _M_mutate ( size_type __pos , size_type __len1, size_type __len2 )
 23{
 24    const size_type __old_size = this-> size ();//16
 25    const size_type __new_size = __old_size + __len2 - __len1 ; //16
 26    const size_type __how_much = __old_size - __pos - __len1 ; //16
 27 
 28    if ( __new_size > this -> capacity() || _M_rep ()->_M_is_shared ())
 29    {
 30        // 重新构造一个对象
 31        const allocator_type __a = get_allocator ();
 32        _Rep * __r = _Rep:: _S_create (__new_size , this-> capacity (), __a );
 33 
 34        // 然后拷贝数据
 35        if (__pos )
 36            _M_copy (__r -> _M_refdata(), _M_data (), __pos );
 37        if (__how_much )
 38            _M_copy (__r -> _M_refdata() + __pos + __len2 ,
 39            _M_data () + __pos + __len1, __how_much );
 40 
 41        //将原对象上的引用计数减
 42        _M_rep ()->_M_dispose ( __a);
 43 
 44        //绑定到新的对象上
 45        _M_data (__r -> _M_refdata());
 46    }
 47    else if (__how_much && __len1 != __len2 )
 48    {
 49        // Work in-place.
 50        _M_move (_M_data () + __pos + __len2 ,
 51            _M_data () + __pos + __len1, __how_much );
 52    }
 53 
 54    //最后设置新对象的长度和引用计数值
 55    _M_rep()-> _M_set_length_and_sharable (__new_size );
 56}

上面源码稍微复杂点，对c进行修改的过程分为以下两步：

第一步是判断是否为共享对象，(引用计数大于0)，如果是共享对象，就拷贝一份新的数据，同时将老数据的引用计数值减1。
第二步：在新的地址空间上进行修改，从而避免了对其他对象的数据污染

由此可以看出，如果不是通过string提供的接口对string对象强制修改的话，会带来潜在的不安全性和破坏性。例如：

 1char* p = const_cast<char*>(s1.data());
 2p[0] = 'a';

上述代码对c修改(“c[0] = ‘1’; “)之后，a b c对象的内存空间布局如下：

Copy-On-Write的好处通过上文的解析是显而易见是，但也带来一些副作用。例如上述代码片段”c[0] = ‘1’; “如果是通过外部的强制操作可能会带来意想不到的结果。请看下面代码：

 1char* pc = const_cast(c.c_str());
 2pc[0] = '1';

这段代码通过强制修改c对象内部数据的值，看似效率上比operator[] 高，但同时也修改a、b对象的值，而这可能不是我们所希望看到的。这是我们需要提高警惕的地方。

5. 不宜使用string的例子

我们项目组内部有一个分布式的内存kv系统，一般是md5做key，value是任意二进制数。当初设计的时候，考虑到内存容量始终有限，没有选择使用string，而是单独开发的key结构和value结构。下面是我们设计的key结构定义：

 1struct Key
 2{
 3    uint64_t low;
 4    uint64_t high;
 5};

该结构所需内存大小为16字节，保持二进制的16字节MD5。相对于string做key来说，要节省33(参考上文string内存空间布局)个字节。例如，现在我们某个项目正在使用该系统的搭建的一个分布式集群，总共有100亿条记录，每条记录都节省33字节，总共节省内存空间：33*100亿=330G。由此可见，仅仅对key的一个小小改进，就能节省如此大的内存，还是非常值得。

6. 对比微软Visual Studio提供的STL版本

vc6.0的string实现是基于引用计数的，但不是线程安全的。但在后续版本的vc中去掉了引用计数技术，string copy 都直接进行深度内存拷贝。
由于string实现上的细节不一致，导致跨平台程序的移植带来潜在的风险。这种场合下，我们需要额外注意。

7. 总结

1. 即使是一个空string对象，其所占内存空间也达到33字节，因此在内存使用要求比较严格的应用场景，例如memcached等，请慎重考虑使用string。
2. string由于使用引用计数和Copy-On-Write技术，相对于strcpy，string copy的性能提升非常显著。
3. 使用引用计数后，多个string指向同一块内存区域，因此，如果强制修改一个string的内容，会影响其他string。

转载于:https://www.cnblogs.com/lit10050528/p/4325979.html