STL string分析

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STL string做字符串分割的几种方法:

• 1. string::substr 按照位置分割字符串

string substr(size_t pos = 0, size_t n = npos) const;

• 2. boost::alogrithm::split  按照token分割字符串

template<typename SequenceSequenceT, typename RangeT, typename PredicateT>

SequenceSequenceT & split( SequenceSequenceT & Result, RangeT & Input, PredicateT Pred, token_compress_mode_type eCompress = token_compress_off );

Boost文档中的一个例子:

string str1("hello abc-*-ABC-*-aBc goodbye");
typedef vector< string > split_vector_type;

split_vector_type SplitVec; // Search for tokens
split( SplitVec, str1, is_any_of("-*") ); // SplitVec == { "hello abc","ABC","aBc goodbye" }

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STL string in VC80 的实现机制

string的定义是这样的

typedef basic_string<char, char_traits<char>, allocator<char> > string;

其中char_traits是一个模板类, 声明如下:

template<class _Elem>
struct char_traits: public _Char_traits_base;

函数的定义可以在iosfwd看到, char_traits的成员函数有如下几类:

字符的整数值转换: to_char_type() to_int_type() eq_int_type()

char比较: eq() lt()

数组操作 move() copy() assign() compare() length() find()

IO操作 eof() not_eof() get_state()

* move(_First1, _Count, _First2, _Count)和copy(_First1, _Count, _First2, _Count)都是由[_First2, _First2+_Count)复制到[_First1, _First1+_Count), 区别是当_First2<_First1<_First2+_Count时, 从前到后的赋值会产生错误.move()对这种情况进行了处理, 此时从后向前赋值, 而copy()按照覆盖的方式进行处理. 他们的区别和memmove()和memcpy()的区别相似, 可参见kenny的blog.

* 这里还有个问题, 为什么要提供字符与整型之间的转换?

由string的定义我们看到string是一个basic_string模板类的一个特化, basic_string定义如下

template<class _Elem,
    class _Traits = char_traits<_Elem>,
    class _Ax = allocator<_Elem> >
    class basic_strin;

因此string也可写作 typedef basic_string<char> string; basic_string定义了串的基本操作, 实现在<xstring>文件中可以看到, string的主要功能有:

构造

迭代器

随机访问 operator[]() at

赋值 operator=()

比较 operator==()

插入 insert()

拼接 append() operator+=()

查找 find() rfind() find_first_of() find_first_not_of() ,无异常处理 没找到返回npos

替换 replace() earse() clear()

容量 size() resize() capacity()

IO操作 operator<<() operator>>() getline()  ,basic_string的IO操作在basic_string中提供而不是在<iostream>中

这里有些地方值得注意:

* basic_string没有虚析构函数, 因此不能作为其他类的基类使用, string也一样.

* 比较函数(如operator<())连接函数(operator+)都作为非成员函数, 来处理第一个操作数为_Elem的情况.

* 写时拷贝(延迟拷贝)的优化是怎样的? vc8的string没有采用Copy-On-Write技术.

* at()和operator[]()的区别是 at()进行数组下标越界检查即throw一个out_of_range异常, 而operator[]()只是用assert做一个中断(VC80).

* basic_string和vector的区别? 数据内存的布局是连续的还是非连续的, 插入操作复杂度?

通过跟踪basic_string中的 _Grow()函数可以看到string的实现细节

size_type _Mysize;    // current length of string
size_type _Myres;    // current storage reserved for string

用_Mysize存储串的实际长度, _Myres存储串所占空间. 说明basic_string的存储是存在冗余的, 具体的内存分配办法在_Copy()函数中, 除去了异常处理并更换了几个函数

  1: void  _Copy(size_type _Newsize, size_type _Oldlen) 
  2:     {    // copy _Oldlen elements to newly allocated buffer 
  3:     size_type _Newres = _Newsize | _ALLOC_MASK; 
  4:     if (max_size() < _Newres) 
  5:         _Newres = _Newsize;    // undo roundup if too big 
  6:     else if (_Newres / 3 < _Myres / 2 && _Myres <= max_size() - _Myres / 2) 
  7:         _Newres = _Myres + _Myres / 2;    // grow exponentially if possible 
  8:     _Elem *_Ptr = 0;
  9: 
 10:     _Ptr = _Mybase::_Alval.allocate(_Newres + 1); 
 11:    
 12: 
 13:     if (0 < _Oldlen) 
 14:         _Traits_helper::copy_s<_Traits>(_Ptr, _Newres + 1, _Myptr(), _Oldlen);    // copy existing elements 
 15:     _Tidy(true);  // deallocating old storage
 16:     _Bx._Ptr = _Ptr; 
 17:     _Myres = _Newres; 
 18:     _Traits::assign(_Myptr()[_Mysize = _Oldlen], _Elem()); // set new length and null terminator
 19:     } 

3~7行是关键(3~5行没看懂:P), _Newres扩展到的空间, _Newsize是需要空间, _Oldlen是以前空间, 如果_Oldlen+_Oldlen*1/2能够满足需求的且不超过最大可以分配的空间, 则增长空间为_Oldlen*1/2, 否则按_Newsize来增长. 因此新的内存空间为max{_Oldlen*3/2, _Newsize}, 13~18行是清理以及复制旧值设定新值的工作.

basic_string还对对small string进行存储优化(trimming), 优化的界限_BUF_SIZE = 16 / sizeof (_Elem) < 1 ? 1 : 16 / sizeof(_Elem). basic_string占用的内存由一个union定义, 

  1: union _Bxty 
  2:     {    
  3:     _Elem _Buf[_BUF_SIZE]; // 当_Elem数量小于_BUF_SIZE时直接存储 
  4:     _Elem *_Ptr;                // 对于大的串使用pointer存储 
  5:     } _Bx;

可以看出, 当占用空间小于16B时使用数组在栈上存储, 当大于16B时在堆中存储. 通过_Myptr()函数看的很清楚.

  1: _Elem * _Myptr() 
  2:     {    // determine current pointer to buffer for mutable string 
  3:     return (_BUF_SIZE <= _Myres ? _Bx._Ptr : _Bx._Buf); 
  4:     } 

经过以上分析, basic_string中内存连续存储, 以指数级增长, 并对小串进行存储优化.

basic_string和vector的区别是basic_string中的_Elem必须是POD(Plain Old Data in C++98), 特别的它不能有用户自定义的复制构造函数, 析构函数和复制函数. 因为basic_string中存储的拷贝都是由memcpy_s实现的.因此basic_string不算是一个STL container.
对于insert操作, insert到basic_string的末尾而不超过_Myres时可以直接赋值, 否则需要一次赋值操作.