深入探索C++ string底层奥秘：SBO与COW的技术博弈

前言

这篇文章建议衔接上一篇内容来看体验更佳C++ string类模拟实现指南：构造、遍历、修改与常用接口

一、string对象大小问题

库中string类的底层还有一些小问题

s2后给的字符串不是存到string对象本身的空间上面的，而是存在该对象指向的堆空间上，所以这里s1对象和s2对象的大小是没有任何区别的。根据其成员变量，理论上在 32 位系统中，char* 和size_t占 4 字节，总大小为 4 + 4 + 4 = 12字节，在 64 位系统中，char* 占 8 字节，size_t占 8 字节，因此总大小为 8（_str） + 8（_size） + 8（_capacity） = 24字节。 然而实际在32位系统下，这里的大小是28字节

二、小对象优化（SBO）技术

这里看一下底层结构

这里字符个数小于等于15的时候就会存到_Buf当中，大于15的时候，_Buf就丢弃不用了，而是存到_Ptr指向的空间当中

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这是一种通用的内存管理设计技术，叫做小对象优化（SBO），在大量的开辟小块空间的时候，不仅会有内存碎片的问题，而且效率也是不够高，SBO本质上是一种以空间换时间的处理方式，当对象比较小的时候就会在对象中存一个_Buf（在对象内部预留固定大小的缓冲区直接存储小对象数据，_Buf是一个小数组，在对象开数组是比堆上开数组快的）而不去堆上开空间（减少动态内存分配开销和碎片化问题），这种处理方式通常用于在堆上开空间的结构

当对象比较大的时候就会再用另外一个数组_Ptr，而不会两个数组各存一部分，若各存一部分像用c_str都无法返回给值，这样就浪费了一个数组的空间了

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所以整个代码访问数据的位置就要判断数据到底放在哪里，字符串_size小于16放_buff当中，大于等于16放_str当中。此时对其再算，在32位平台下整个对象空间就是28字节了

三、写时拷贝（COW）技术

VS一贯采用该技术来进行内存管理优化，Linux系统下的早期的G++是采用另外一种方案（COW COPY - ON - WRITE）：引用计数，其库中string设计的时候默认的拷贝是进行浅拷贝

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两个对象指向同一块空间，该空间的引用计数为2，之后进行析构（例如先析构s2），编译器就会先看引用计数，发现引用计数为2，说明还有其他对象一同管理这块空间，此时就会减减计数（1），之后s1进行析构，再减减计数（0），此时计数为0就说明s1就是最后一个管理这块空间的对象，此时再释放空间

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到这里只解决了析构多次的问题，浅拷贝还有另外一种问题，两个对象指向同一块空间时，一个对象的修改会影响另一个对象，这里就还有一种操作叫做写时拷贝，该操作也是依托于引用计数，若进行写的时候（例如：s1[0]=‘x’）就会去检查引用计数，若引用计数为1才会进行写的操作，此时只有一个对象指向这块空间，若引用计数不是1还要开一块空间拷贝数据，之后原空间计数减减，新空间也会有计数（为1），此时再进行s1[0]='x’的操作就没有问题了

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G++早年用的该方案也叫引用计数的写时拷贝

G++这样设计饶了一大圈也是存在优势的，因为拷贝了对象是不一定会修改对象的，以下面代码为例

四、两种技术的性能对比

若早年的编译器没有优化，下面就会进行多次深拷贝，addret是个局部对象，不能引用返回。这里addret作返回的时候会先把其拷贝给一个临时对象，再将临时对象拷贝给ret。这里先用VS的方案（直接进行深拷贝），addret指向一块空间，addret拷贝给临时对象时候，中间会进行拷贝构造，就会给临时对象开和addret一样大小的空间，数据拷贝过来后，该临时对象作为函数调用表达式的返回值，addret就析构了，然后再将临时对象拷贝给ret，ret也和临时对象有一样大的空间一样的值了，此时临时对象也销毁

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这中场景采用引用计数的写时拷贝方案就完胜了，刚开始addret指向的这块空间引用计数为1，浅拷贝后临时对象也指向该空间，引用计数变为2，之后addret销毁，引用计数减减变为1，临时对象浅拷贝给ret，ret也指向临时对象指向的空间，引用计数变为2，临时对象再销毁，引用计数减减（变为1），使用该方案就没有拷贝了

这里最终就是多花一点成本来维护引用计数，所需的前提条件就是拷贝后没有修改，就能达成提升效率的目的，所以说该技术的设计是非常厉害的

但是该方案也是有很多问题的：

1. 在多线程情况，维护引用计数的线程安全有一定代价（要使用加锁或原子操作来维护）
2. 在动态库下，也会存在一些问题
3. C++11以后，编译器各种优化，传值返回代价很低，有了移动构造，移动赋值，该方案就显得鸡肋了

所以后面的GCC版本就不采用该方案了