c++ - 为什么 Microsoft 的 std::string 实现需要堆栈上的 40 个字节？

Question

最近看了this video关于 facebook 的 string 实现，我很想看看 Microsoft 实现的内部结构。不幸的是，字符串文件(在 %VisualStudioDirectory%/VC/include 中)似乎不包含实际定义，而只是包含转换函数(例如 atoi)和一些运算符重载。

我决定从用户级程序中对它进行一些探索和研究。当然，我做的第一件事就是测试 sizeof(std::string)。令我惊讶的是，std::string 需要 40 个字节! (无论如何在 64 位机器上。)前面提到的视频详细介绍了 facebook 的实现如何只需要 24 个字节而 gcc 的实现需要 32 个字节，所以这至少可以说是令人震惊的。

我们可以通过编写一个简单的程序来更深入地挖掘数据的内容(包括 c_str 地址)，如下所示:

#include <iostream>
#include <string>
int main()
{
    std::string test = "this is a very, very, very long string";

    // Print contents of std::string test.
    char* data = reinterpret_cast<char*>(&test);
    for (size_t wordNum = 0; wordNum < sizeof(std::string); wordNum = wordNum + sizeof(uint64_t))
    {
        for (size_t i = 0; i < sizeof(uint64_t); i++)
            std::cout << (int)(data[wordNum + i]) << " ";

        std::cout << std::endl;
    }

    // Print the value of the address returned by test.c_str().
    // (Doing this byte-by-byte to match the above values).
    const char* testAddr = test.c_str();
    char* dataAddr = reinterpret_cast<char*>(&testAddr);

    std::cout << "c_str address: ";
    for (size_t i = 0; i < sizeof(const char*); i++)
        std::cout << (int)(dataAddr[i]) << " ";

    std::cout << std::endl;
}

打印出来:

48 33 -99 -47 -55 1 0 0
16 78 -100 -47 -55 1 0 0
-52 -52 -52 -52 -52 -52 -52 -52
38 0 0 0 0 0 0 0
47 0 0 0 0 0 0 0
c_str address: 16 78 -100 -47 -55 1 0 0

检查这个，我们可以看到第二个字包含指向字符串分配数据的地址，第三个字是垃圾(用于短字符串优化的缓冲区)，第四个字是大小，第五个词是容量。 但是第一个词呢？它似乎是一个地址，但有什么用呢？难道不是所有事情都已经考虑清楚了吗？

为了完整起见，以下输出显示了 SSO(字符串设置为“短字符串”)。请注意，第一个单词似乎仍然代表一个指针:

0 36 -28 19 123 1 0 0
83 104 111 114 116 32 83 116
114 105 110 103 0 -52 -52 -52
12 0 0 0 0 0 0 0
15 0 0 0 0 0 0 0
c_str address: 112 -9 79 -108 23 0 0 0

编辑:好的，所以做了更多测试后，似乎 std::string 的大小在编译发布时实际上减少到 32 个字节，并且第一个单词不再存在。但我仍然非常想知道为什么会这样，以及在 Debug模式下该额外指针的用途。

更新:根据用户 Yuushi 的提示，额外的词似乎与 Debug Iterator Support 有关。这在我关闭 Debug Iterator Support 时得到验证(显示了一个这样做的示例 here )并且 std::string 的大小减少到 32 字节，现在缺少第一个单词。

但是，了解 Debug Iterator Support 如何使用该附加指针来检查不正确的迭代器使用仍然非常有趣。

Answer 1

Visual Studio 2015 使用 xstring而不是 string定义 std::basic_string

注意:此答案仅适用于 VS2015，VS2013 使用不同的实现，但是，它们或多或少是相同的。

它被实现为:

template<class _Elem,
class _Traits,
class _Alloc>
class basic_string
    : public _String_alloc<_String_base_types<_Elem, _Alloc> >
{
// This class has no member data
}

_String_alloc使用_Compressed_pair<_Alty, _String_val<_Val_types> >将其数据存储在 std::string 中, _Alty是std::allocator<char>和 _Val_types是_Simple_types<char> ，因为 std::is_empty<std::allocator<char>>::value是true , sizeof _Compressed_pair<_Alty, _String_val<_Val_types> >与sizeof _String_val<_Val_types>相同

类 _String_val继承自 _Container_base这是 typedef的 _Container_base0什么时候#if _ITERATOR_DEBUG_LEVEL == 0和 _Container_base12除此以外。它们之间的区别是_Container_base12包含指向 _Container_proxy 的指针用于调试目的。除此之外_String_val还有那些成员:

union _Bxty
    {   // storage for small buffer or pointer to larger one
    _Bxty()
        {   // user-provided, for fancy pointers
        }

    ~_Bxty() _NOEXCEPT
        {   // user-provided, for fancy pointers
        }

    value_type _Buf[_BUF_SIZE];
    pointer _Ptr;
    char _Alias[_BUF_SIZE]; // to permit aliasing
    } _Bx;

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

与 _BUF_SIZE是 16。

和pointer_type , size_type在这个系统中很好地结合在一起。无需对齐。

因此，当 _ITERATOR_DEBUG_LEVEL == 0 时 sizeof std::string是:

_BUF_SIZE + 2 * sizeof size_type

否则就是

sizeof pointer_type +  _BUF_SIZE + 2 * sizeof size_type