在360云引擎技术博客的“深入剖析linux GCC 4.4的STL string”这篇blog的指导下,看了一些STL string的实现代码,并针对我们平时对string的一些常规用法做了一些测试。这里做一下总结,希望能帮助大家更好的理解理解STL string,更高效的使用STL string。
由于本文涉及到性能对比,接下来会有一些测试程序,所以首先看一下我们的测试环境:
$ uname -sr Linux 2.6.32-220.23.1.tb750.el5.x86_64 $ gcc --version gcc (GCC) 4.1.2 20080704 (Red Hat 4.1.2-51)
构造函数 std::string::string
函数声明
string ( ); string ( const string& str ); string ( const string& str, size_t pos, size_t n = npos ); string ( const char * s, size_t n ); string ( const char * s ); string ( size_t n, char c ); template<class InputIterator> string (InputIterator begin, InputIterator end);
我们对这些构造函数分别做下测试
/* FILE: string_construct.cpp */ #include <stdio.h> #include <string> #include <sys/time.h> int64_t getCurrentTime() { struct timeval tval; gettimeofday(&tval, NULL); return (tval.tv_sec * 1000000LL + tval.tv_usec); } int main(int argc, char *argv[]) { const int loop = 10000; std::string source; source.resize(10240, '1'); int64_t start = 0; int64_t end = 0; start = getCurrentTime(); for (int i = 0; i < loop; ++i) { std::string str(source); } end = getCurrentTime(); printf("call %-35s %d times: %ld usn", "string(const string &)", loop, (end - start)); start = getCurrentTime(); for (int i = 0; i < loop; ++i) { std::string str(source, 0); } end = getCurrentTime(); printf("call %-35s %d times: %ld usn", "string(const string &, size_t)", loop, (end - start)); start = getCurrentTime(); for (int i = 0; i < loop; ++i) { std::string str(source.c_str()); } end = getCurrentTime(); printf("call %-35s %d times: %ld usn", "string(const char *)", loop, (end - start)); start = getCurrentTime(); for (int i = 0; i < loop; ++i) { std::string str(source.c_str(), source.size()); } end = getCurrentTime(); printf("call %-35s %d times: %ld usn", "string(const char *, size_t)", loop, (end - start)); start = getCurrentTime(); for (int i = 0; i < loop; ++i) { std::string str(source.size(), source.at(0)); } end = getCurrentTime(); printf("call %-35s %d times: %ld usn", "string(size_t, char)", loop, (end - start)); start = getCurrentTime(); for (int i = 0; i < loop; ++i) { std::string str(source.begin(), source.end()); } end = getCurrentTime(); printf("call %-35s %d times: %ld usn", "string(Iterator, Iterator)", loop, (end - start)); return 0; }
在运行这段测试代码前,你可以尝试分析一下这几个函数调用,哪个耗时最长,哪个耗时最短呢?
……
再来看看编译运行的结果:
$ g++ -Wall -O2 -o string_construct string_construct.cpp $ ./string_construct call string(const string &) 10000 times: 528 us call string(const string &, size_t) 10000 times: 9064 us call string(const char *) 10000 times: 30021 us call string(const char *, size_t) 10000 times: 9092 us call string(size_t, char) 10000 times: 5719 us call string(Iterator, Iterator) 10000 times: 8996 us
这里输出的结果跟你的预期一样么?我想只要仔细想想,应该都能预料到这个结果:
- string(const string &)
毫无疑问它是最快的,因为string的COW(copy-on-write)特性。至于COW就不在本文讨论范围了,感兴趣的朋友可以参考《深入剖析 linux GCC 4.4 的 STL string》
- string(const string &, size_t)
- string(const char *, size_t)
- string(size_t, char)
- string(Iterator, Iterator)
这几个差别不大,都需要分配一块内存,然后将source里的内容拷贝过去
- string(const char *)
它耗时非常大,这个我想应该会出乎部分人的意料:平时咱们很多时候就是这么用的啊?!它跟string(const char *, size_t)只是差了一个参数而已!但是要注意,这个参数是前面的字符串的长度!如果没有这个长度,那就不能确定需要分配的内存的大小,只能先计算一遍长度。可以通过stl的源码(/usr/include/c++/4.1.2/bits/basic_string.tcc)来确认下,这里摘取相关部分如下:
template<typename _CharT, typename _Traits, typename _Alloc> basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>:: basic_string(const _CharT* __s, size_type __n, const _Alloc& __a) : _M_dataplus(_S_construct(__s, __s + __n, __a), __a) { } template<typename _CharT, typename _Traits, typename _Alloc> basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>:: basic_string(const _CharT* __s, const _Alloc& __a) : _M_dataplus(_S_construct(__s, __s ? __s + traits_type::length(__s) : __s + npos, __a), __a) { }
通过这两个函数的实现代码可以看出,唯一的差别就在于 traits_type::length(__s)。traits_type::length的实现在/usr/include/c++/4.1.2/bits/char_traits.h,说简单一点就是于对string,直接调用strlen,对于wstring,则调用wcslen,这里就不详细介绍了。
小结
- 在做string的拷贝时,尽量使用string(const string &)的形式,以享受COW带来的好处
- 当需要使用char *构造一个string时,如果你已经知道这个char *表示的字符串长度,记得把这个长度一起传给string的构造函数
- 我想不会有人傻到用string str(source.c_str(), source.size())这种方式拷贝一个string吧?当然上面测试代码只是为了便于理解所以采用了这种形式
顺便提一下,std::string::assign跟std::string的构造函数类似,测试结果也基本一样。string& assign(const string &)跟string(const string &)一样也有copy-on-write。
string& assign ( const string& str ); string& assign ( const string& str, size_t pos, size_t n ); string& assign ( const char* s, size_t n ); string& assign ( const char* s ); string& assign ( size_t n, char c ); template <class InputIterator> string& assign ( InputIterator first, InputIterator last );
比较函数 std::string::compare
函数声明
int compare ( const string& str ) const; int compare ( const char* s ) const; int compare ( size_t pos1, size_t n1, const string& str ) const; int compare ( size_t pos1, size_t n1, const char* s) const; int compare ( size_t pos1, size_t n1, const string& str, size_t pos2, size_t n2 ) const; int compare ( size_t pos1, size_t n1, const char* s, size_t n2) const;
对于compare函数,这里同样有一段测试代码,一起来看下:
/* FILE: string_compare.cpp */ #include <stdio.h> #include <string> #include <sys/time.h> int64_t getCurrentTime() { struct timeval tval; gettimeofday(&tval, NULL); return (tval.tv_sec * 1000000LL + tval.tv_usec); } #define FOO "123456789012345678901234567890" "12345678901234567890123456789012345678901234567890" int compareWithStaticString(const std::string &str) __attribute__((noinline)); int compareWithConstString(const std::string &str) __attribute__((noinline)); int compareWithCString(const std::string &str) __attribute__((noinline)); int compareUseStrcmp(const std::string &str) __attribute__((noinline)); struct TestCase { std::string name; int (*func)(const std::string &); }; TestCase cases[] = { { "compare with static string", compareWithStaticString }, { "compare with const string", compareWithConstString }, { "compare with c-string", compareWithCString }, { "compare use strcmp", compareUseStrcmp } }; int main(int argc, char *argv[]) { const int loop = 10000; int64_t start = 0; int64_t end = 0; const std::string target(FOO); for (size_t i = 0; i < (sizeof(cases) / sizeof(TestCase)); ++i) { start = getCurrentTime(); for (int j = 0; j < loop; ++j) { cases[i].func(target); } end = getCurrentTime(); printf("%-30s %d times: %ldusn", cases[i].name.c_str(), loop, (end - start)); } return 0; } int compareWithStaticString(const std::string &str) { static const std::string foo(FOO); return (str.compare(foo)); } int compareWithConstString(const std::string &str) { const std::string foo(FOO); return (str.compare(foo)); } int compareWithCString(const std::string &str) { return (str.compare(FOO)); } int compareUseStrcmp(const std::string &str) { return (strcmp(str.c_str(), FOO)); }
在这段测试程序里,我们有4个比较测试函数,各个函数都将参数传进来的string跟自已预先定义好的一个字符串做比较。函数声明里加上noinline的attribute是为了防止编译器把compareUseStrcmp这个函数调用优化掉
同样,先尝试分析下运行这个测试程序会有什么样的结果?再来编译运行:
$ g++ -Wall -O2 -o string_compare string_compare.cpp $ ./string_compare compare with static string 10000 times: 2399us compare with const string 10000 times: 4156us compare with c-string 10000 times: 2625us compare use strcmp 10000 times: 2388us
先来分析compare with static string和compare with const string这两个case,结果很明显,compareWithConstString这个函数里,每次函数调用都会在栈上构造一个foo临时对象,调用10000次就有10000次的构造和析构,当然很耗时了。所以,我们应该尽量用static const string表示字符串常量,而不是const string
再来对比compare with static string和compare with c-string,它俩为什么还差了近3ms的时间呢?我们去源码里寻找答案:
template<typename _CharT, typename _Traits, typename _Alloc> int basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>:: compare(const _CharT* __s) const { __glibcxx_requires_string(__s); const size_type __size = this->size(); const size_type __osize = traits_type::length(__s); const size_type __len = std::min(__size, __osize); int __r = traits_type::compare(_M_data(), __s, __len); if (!__r) __r = __size - __osize; return __r; }
看到了吗,这里又有个traits_type::length!所以,我们应该尽量用static const string表示字符串常量,而不是const string,也不是const char *。
compare with static string跟compare use strcmp结果差不多,我们就不分析了。
至于std::string的几个比较运算符(operator==,operator!=,operator>,operator<,operator>=,operator<=)都是直接调用的std::string::compare。我们也不多做分析了。
std::string里还有几个类似的函数重载,列举如下,我们在使用的时候都需要注意同样的问题:
std::string::find
size_t find ( const string& str, size_t pos = 0 ) const; size_t find ( const char* s, size_t pos, size_t n ) const; size_t find ( const char* s, size_t pos = 0 ) const; size_t find ( char c, size_t pos = 0 ) const;
std::string::append
string& append ( const string& str ); string& append ( const string& str, size_t pos, size_t n ); string& append ( const char* s, size_t n ); string& append ( const char* s ); string& append ( size_t n, char c ); template <class InputIterator> string& append ( InputIterator first, InputIterator last );
std::string::replace
string& replace ( size_t pos1, size_t n1, const string& str ); string& replace ( iterator i1, iterator i2, const string& str ); string& replace ( size_t pos1, size_t n1, const string& str, size_t pos2, size_t n2 ); string& replace ( size_t pos1, size_t n1, const char* s, size_t n2 ); string& replace ( iterator i1, iterator i2, const char* s, size_t n2 ); string& replace ( size_t pos1, size_t n1, const char* s ); string& replace ( iterator i1, iterator i2, const char* s ); string& replace ( size_t pos1, size_t n1, size_t n2, char c ); string& replace ( iterator i1, iterator i2, size_t n2, char c ); template<class InputIterator> string& replace ( iterator i1, iterator i2, InputIterator j1, InputIterator j2 );
隐式类型转换
前面的测试结果表明,当STLstring有提供std::string作为参数的函数重载时,应该尽量使用std::string作为参数。接下来我们再看另外一个case:
/* FILE: implicit_conversion.cpp */ #include <map> #include <string> #include <stdio.h> #include <sys/time.h> int64_t getCurrentTime() { struct timeval tval; gettimeofday(&tval, NULL); return (tval.tv_sec * 1000000LL + tval.tv_usec); } typedef std::map<std::string, std::string> StringMap; int testCStringKeyInMap(const StringMap &m) { int found = 0; found += (m.find("key1") != m.end() ? 1 : 0); found += (m.find("key4") != m.end() ? 1 : 0); return found; } int testStringKeyInMap(const StringMap &m) { static const std::string key1 = "key1"; static const std::string key4 = "key4"; int found = 0; found += (m.find(key1) != m.end() ? 1 : 0); found += (m.find(key4) != m.end() ? 1 : 0); return found; } int main(int argc, char *argv[]) { const int loop = 10000; StringMap m; m["key1"] = "value1"; m["key2"] = "value2"; m["key3"] = "value3"; int64_t start = 0; int64_t end = 0; start = getCurrentTime(); for (int i = 0; i < loop; ++i) { testCStringKeyInMap(m); } end = getCurrentTime(); printf("call %-35s %d times: %ld usn", "map[const char *]", loop, (end - start)); start = getCurrentTime(); for (int i = 0; i < loop; ++i) { testStringKeyInMap(m); } end = getCurrentTime(); printf("call %-35s %d times: %ld usn", "map[const std::string &]", loop, (end - start)); return 0; }
这里我们主要测的是std::string作为std::map的key时,判断指定的key是否在map里,也就是std::map::find函数。那么我们先来看看std::map的find函数原型:
iterator find (const key_type& k); const_iterator find (const key_type& k) const;
这里find函数的参数是const key_type &k,在我们的测试程序里也就是const std::string &k。也就是说find函数只能接受std::string作为参数,但是在我们的测试程序里将一个字符串常量”key1″传给了find函数。这里就涉及到了隐式类型转换,将”key1″转换成一个临时的std::string对象。显然,这里的隐式类型转换需要构造一个临时的std::string对象,需要消耗时间。那我们看一下测试结果:
$ g++ -O2 -o implicit_conversion implicit_conversion.cpp $ ./implicit_conversion call map[const char *] 10000 times: 4653 us call map[const std::string &] 10000 times: 2441 us
结果很明显,正如我们分析的:隐式类型转换消耗了不少时间。
所以,在我们的代码里,应该尽量使用static const std::string的形式来表示字符串常量!
几种典型的误用场景
构造函数
<pre>std::string decode(const std::string &str); std::string decode(const char *str) { decode(std::string(str)); } void test() { std::string input; std::cin >> input; std::output = decode(input.c_str()); }
比较函数
std::string command; std::cin >> command; // static const std::string get = "get"; // static const std::string set = "set"; if (command == "get") // if (str == get) { printf("get commandn"); } else if (command == "set") // if (str == set) { printf(set commandn"; }
字符串拼接
std::string keyword, properties; std::cin >> keyword >> properties; std::string url; url += "/bin/search?"; // static const std::string prefix = "/bin/search?"; url += prefix; url += "q="; // static const std::string q_key = "q="; url += qkey; url += keyword; url += "&"; // url += '&'; url += "properties="; // static const std::string properties_key = "properties="; url += properties; url += properties; url += "&outfmt=json" // static const std::string outfmt = "&outfmt=json"; url += outfmt;
隐式类型转换
std::map<std::string, std::string> m; m["key1"] = "value1"; // // static const std::string key1 = "key1"; // static const std::string value1 = "value1"; // m[key1] = value1; m["key2"] = "value2"; … const std::string &v1 = m["key1"]; // const std::string &v1 = m[key1]; const std::string &v2 = m["key2"];
这几段代码看着眼熟么?赶紧改掉吧
总结
- 尽量用static const string来表示字符串常量
- 当一个函数内部需要与参数传进来的字符串做string相关操作,那就将参数类型设为std::string &,而不要用char *
- 在通过const char *构造string时,如果已知字符串的长度,将长度一起传给string的构造函数!
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