【现代C++】性能控的工具箱之string_view
本篇文章从string_view
引入的背景出发,依次介绍了其相关的知识点及使用方式,然后对常见的使用陷阱进行了说明,最后对该类型做总结。
一、背景
在日常C/C++编程中,我们常进行数据的传递操作,比如,将数据传给函数。当数据占用的内存较大时,减少数据的拷贝可以有效提高程序的性能。在C中指针是完成这一目的的标准数据结构,而C++引入了安全性更高的引用类型。所以在C++中若传递的数据仅仅只读,const string&
成了C++的天然的方式。但这并非完美,从实践来看,它至少有以下几方面问题:
- 字符串字面值、字符数组、字符串指针的传递仍要数据拷贝
这三类低级数据类型与string
类型不同,传入时,编译器需要做隐式转换,即需要拷贝这些数据生成string
临时对象。const string&
指向的实际上是这个临时对象。通常字符串字面值较小,性能损耗可以忽略不计;但字符串指针和字符数组某些情况下可能会比较大(比如读取文件的内容),此时会引起频繁的内存分配和数据拷贝,会严重影响程序的性能。 substr
O(n)复杂度
这是一个特别常用的函数,好在std::string
提供了这个函数,美中不足的是其每次都返回一个新生成的子串,很容易引起性能热点。实际上我们本意并不是要改变原字符串,为什么不在原字符串基础上返回呢?
在C++17中引入了string_view
,能很好的解决以上两个问题。
二、std::string_view
从名字出发,我们可以类比数据库视图,view
表示该类型不会为数据分配存储空间,而且该数据类型只能用来读。该数据类型可通过{数据的起始指针,数据的长度}
两个元素表示,实际上该数据类型的实例不会具体存储原数据,仅仅存储指向的数据的起始指针和长度,所以这个开销是非常小的。
要使用字符串视图,需要引入<string_view>
,下面介绍该数据类型主要的API。这些API基本上都有constexpr
修饰,所以能在编译时很好地处理字符串字面值,从而提高程序效率。
2.1 构造函数
constexpr string_view() noexcept;
constexpr string_view(const string_view& other) noexcept = default;
constexpr string_view(const CharT* s, size_type count);
constexpr string_view(const CharT* s);
基本上都是自解释的,唯一需要说明的是:为什么我们代码string_view foo(string("abc"))
可以编译通过,但为什么没有对应的构造函数?
实际上这是因为string
类重载了string
到string_view
的转换操作符:
operator std::basic_string_view<CharT, Traits>() const noexcept;
所以,string_view foo(string("abc"))
实际执行了两步操作:
string("abc")
转换为string_view
对象astring_view
使用对象本篇文章从string_view
引入的背景,
2.2 自定义字面量
自定义字面量也是C++17新增的特性,提高了常量的易读。
下面的代码取值cppreference,能很好地说明自定义字面值和字符串语义的差异。
#include <string_view>
#include <iostream>int main()
{using namespace std::literals;std::string_view s1 = "abc\0\0def";std::string_view s2 = "abc\0\0def"sv;std::cout << "s1: " << s1.size() << " \"" << s1 << "\"\n";std::cout << "s2: " << s2.size() << " \"" << s2 << "\"\n";
}
输出:
s1: 3 "abc"
s2: 8 "abc^@^@def"
以上例子能很好看清二者的语义区别,\0
对于字符串而言,有其特殊的意义,即表示字符串的结束,字符串视图根本不care,它关心实际的字符个数。
2.3 成员函数
下面列举其成员函数:忽略了函数的返回值,若函数有重载,括号内用...
填充。这样可以对其有个整体轮廓。
// 迭代器
begin()
end()
cbegin()
cend()
rbegin()
rend()
crbegin()
crend()// 容量
size()
length()
max_size()
empty()// 元素访问
operator[](size_type pos)
at(size_type pos)
front()
back()
data()// 修改器
remove_prefix(size_type n)
remove_suffix(size_type n)
swap(basic_string_view& s)copy(charT* s, size_type n, size_type pos = 0)
string_view substr(size_type pos = 0, size_type n = npos)
compare(...)
starts_with(...)
ends_with(...)
find(...)
rfind(...)
find_first_of(...)
find_last_of(...)
find_first_not_of(...)
find_last_not_of(...)
从函数列表来看,几乎跟string
的只读函数一致,使用string_view
的方式跟string
基本一致。有几个地方需要特别说明:
string_view
的substr
函数的时间复杂度是O(1),解决了背景部分的第二个问题。- 修改器中的三个函数仅会修改
string_view
的数据指向,不会修改指向的数据。
除此之外,函数名基本是自解释的。
2.4 示例
Haskell中有一个常用函数lines
,会将字符串切割成行存储在容器里。下面我们用C++来实现
string-版本
#include <string>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <sstream>void lines(std::vector<std::string> &lines, const std::string &str) {auto sep{"\n"};size_t start{str.find_first_not_of(sep)};size_t end{};while (start != std::string::npos) {end = str.find_first_of(sep, start + 1);if (end == std::string::npos)end = str.length();lines.push_back(str.substr(start, end - start));start = str.find_first_not_of(sep, end + 1);}
}
上面我们用const std::string &
类型接收待分割的字符串,若我们传入指向较大内存的字符指针时,会影响程序效率。
使用std::string_view
可以避免这种情况:
string_view-版本
#include <string>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <sstream>
#include <string_view>void lines(std::vector<std::string> &lines, std::string_view str) {auto sep{"\n"};size_t start{str.find_first_not_of(sep)};size_t end{};while (start != std::string_view::npos) {end = str.find_first_of(sep, start + 1);if (end == std::string_view::npos)end = str.length();lines.push_back(std::string{str.substr(start, end - start)});start = str.find_first_not_of(sep, end + 1);}
}
上面的例子仅仅是把string
类型修改成了string_view
就获得了性能上的提升。一般情况下,将程序中的string
换成string_view
的过程是比较直观的,这得益于两者的成员函数的相似性。但并不是所有的“翻译”过程都是这样的,比如:
void lines(std::vector<std::string> &lines, const std::string& str) {std::stringstream ss(str);std::string line;while (std::getline(ss, line, '\n')) {lines.push_back(line);}
}
这个版本使用stringstream
实现lines
函数。由于stringstream
没有相应的构造函数接收string_view
类型参数,所以没法采用直接替换的方式,所以翻译过程要复杂点。
三、使用陷阱
世上没有免费的午餐。不恰当的使用string_view
也会带来一系列的问题。
string_view
范围内的字符可能不包含\0
如
#include <iostream>
#include <string_view>int main() {std::string_view str{"abc", 1};std::cout << str.data() << std::endl;return 0;
}
本来是要打印a
,但输出了abc
。这是因为字符串相关的函数都有一条兼容C的约定:\0
代表字符串的结尾。上面的程序打印从开始到字符串结束的所有字符,虽然str
包含的有效字符是a
,但cout
认\0
。好在这块内存空间有合法的字符串结尾符,如果str
指向的是一个没有\0
的字符数组,程序很有可能会出现内存问题,所以我们在将string_view
类型的数据传入接收字符串的函数时要非常小心。
2.从[const] char*
构造string_view
对象时间复杂度O(n)
这是因为获取字符串的长度需要从头开始遍历。如果对[const] char*
类型仅仅是一些O(1)
的操作,相比直接使用[const] char*
,转为string_view
是没有性能优势的。只不过是相比const string&
,string_view
少了拷贝的损耗。实际上我们完全可以用[const] char*
接收所有的字符串,但这个类型太底层了,不便使用。在某些情况下,我们转为string_view
可能仅仅是想用其中的一些函数,比如substr
。
3.string_view
指向的内容的生命周期可能比其本身短
string_view
并不拥有其指向内容的所有权,用Rust的术语来说,它仅仅是暂时borrow
(借用)了它。如果拥有者提前释放了,你还在使用这些内容,那会出现内存问题,这跟悬挂指针
(dangling pointer)或悬挂引用(dangling references)很像。Rust专门有套机制在编译时分析变量的生命期,保证borrow
的资源在使用期间不会被释放,但C++没有这样的检查,需要人工保证。下面列出一些典型的问题情况:
std::string_view sv = std::string{"hello world"};
string_view foo() {std::string s{"hello world"};return string_view{s};
}
auto id(std::string_view sv) { return sv; }int main() {std::string s = "hello";auto sv = id(s + " world");
}
四、总结
string_view
解决了一些痛点,但同时也引入了指针和引用的一些老问题。C++标准并没有对这个类型做太多的约束,这引来的问题是我们可以像平常的变量一样以多种方式使用它,如,可以传参,可以作为函数返回值,可以做普遍变量,甚至我们可以放到容器里。随着使用场景的复杂,人工是很难保证指向的内容的生命周期足够长。所以,推荐的使用方式:仅仅作为函数参数,因为如果该参数仅仅在函数体内使用而不传递出去,这样使用是安全的。
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