Eine Erkundung der Implementierung von std::string

Der rätselhafte std::string, eine grundlegende Komponente der C-Standardbibliothek, hat einen Funken ausgelöst Neugier auf sein Innenleben. In diesem Artikel tauchen wir in die Tiefe seiner Implementierung ein, enthüllen seine Feinheiten und unterscheiden ihn von seinem Vorgänger, den allgegenwärtigen Strings im C-Stil.

Verschiedene Compiler-Toolchains bieten Zugriff auf den Quellcode für ihren jeweiligen Standard: :string-Implementierungen und bietet einen transparenten Einblick in seine Mechanismen. Aufgrund der umfassenden Verwendung von Vorlagencode kann die Entschlüsselung der Implementierung jedoch ein entmutigendes Unterfangen sein.

Glücklicherweise entschlüsselt Scott Meyers geschätztes Werk „Effective STL“ die Komplexität von std::string-Implementierungen in einem dedizierten Kapitel mit dem Titel „Punkt 15: Achten Sie auf Variationen bei String-Implementierungen.“ In diesem Kapitel erläutert Meyer vier unterschiedliche Implementierungsstrategien:

1. Ref-gezählte Implementierungen mit Variationen: Diese Implementierungen verwenden einen Referenzzählmechanismus, um String-Änderungen zu optimieren. Wenn ein String-Objekt ohne Änderung dupliziert wird, erhöht sich der Referenzzähler, die zugrunde liegenden String-Daten bleiben jedoch unverändert. Nur wenn eine der Objektinstanzen geändert wird, findet ein „Kopieren beim Schreiben“-Vorgang statt, bei dem die Zeichenfolgendaten dupliziert werden. Variationen dieses Ansatzes drehen sich um die Platzierung und Handhabung von Referenzzählern, Sperren und anderen Hilfsdatenstrukturen.
2. Short String Optimization (SSO)-Implementierungen: SSO-Implementierungen zeichnen sich durch eine kompakte Struktur aus, die Bestand hat Wesentliche String-Informationen, einschließlich Datenzeiger, Länge und zugewiesener Speichergröße. Für Zeichenfolgen unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts weist SSO Speicherplatz innerhalb des Objekts selbst zu, anstatt auf eine dynamische Zuweisung zurückzugreifen, was zu einer Verbesserung der Speichereffizienz führt.

Über Meyers Analyse hinaus liefert Herb Sutter wertvolle Einblicke in die potenziellen Leistungsprobleme von Copy-on-Write-Refcounted-Implementierungen in Multithread-Umgebungen. Sein wegweisender Artikel „More Exceptional C“ in Verbindung mit der eigenständigen Webpublikation „Optimizations that aren't (in a Multithreaded World)“ untersucht die Synchronisierungsprobleme, die die Leistung beeinträchtigen können, und bietet praktische Lösungen.

Das Eintauchen in diese Ressourcen bietet eine beispiellose Gelegenheit, die Feinheiten der Implementierung von std::string zu verstehen. Ganz gleich, ob Sie durch den vorlagenlastigen Quellcode navigieren oder Erkenntnisse aus Expertenkommentaren gewinnen, diese Reise vermittelt Programmierern ein tiefgreifendes Verständnis einer der grundlegendsten und vielseitigsten String-Klassen von C.