深入剖析 linux GCC 4.4 的 STL string

深入剖析 linux GCC 4.4 的 STL string

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2012 年 11 月 26 日 by  zieckey

本文通过研究STL源码来剖析C++中标准模板块库std::string运行机理，重点研究了其中的引用计数和Copy-On-Write技术。

平台：x86_64-redhat-linux
gcc version 4.4.6 20110731 (Red Hat 4.4.6-3) (GCC)

1. 问题提出

最近在我们的项目当中，出现了两次与使用string相关的问题。

1.1. 问题1：新代码引入的Bug

前一段时间有一个老项目来一个新需求，我们新增了一些代码逻辑来处理这个新需求。测试阶段没有问题，但上线之后，偶尔会引起错误的逻辑输出甚至崩溃。这个问题困扰着我们很久。我们对新增代码做周详单元测试和集成测试都没有发现问题，最后只能逼迫我们去看那一大段未修改过原始代码逻辑。该项目中经常会碰到使用string，原始代码中有这样一段逻辑引起了我们的怀疑：

1	string string_info;

2	//... 对string_info的赋值操作

3	char* p = (char*)string_info.data();

在严格的检查下和逻辑判断后，某些逻辑分支会对p指向的内容进行一些修改。这样虽然危险，但一直工作正常。联想到我们最近的修改：将string_info这个string对象拷贝了一份，然后进行一些处理。我们意识到string的Copy-On-Write和引用计数技术可能会导致我们拷贝的这个string并没有真正的实现数据拷贝。在做了一些测试和研究之后，我们确信了这一点。如是对上述代码进行了修正处理如下：

1	char* p = &(string_info[0]);

然后对项目类似的地方都做了这样的处理之后，测试，上线，一切OK，太完美了。

1.2. 问题2：性能优化

最近做一个项目的重构，对相关代码进行性能分析profile时发现memcpy的CPU占比比较高，达到8.7%，仔细检查代码中，发现现有代码大量的map查找操作。map定义如下：

1	typedef std::map ssmap;

2	ssmap info_map;

查找的操作如下：

1	info_map["some_key"] = some_value;

我们不经意间就会写出上述代码，如果改为下述代码，性能会好很多：

1	static const std::string __s_some_key   = "some_key";

2	info_map[__s_some_key] = some_value;

这是因为第一种代码，每次查找都构造一个临时的string对象，同时会将“some_key”这个字符串拷贝一份。修改之后的代码，只需要在第一次初始化时候构造一次，以后每次调用都不会进行拷贝，因此效率上要好很多。类似代码都经过这样优化之后，memcpy的CPU占比下来了，降到4.3%。

下面我们通过深入string的源码内部来解释上述两个问题的解决过程和思路。

2. std::string定义

STL中的字符串类string的定义如下：

1	template<typename _CharT, typename _Traits , typename _Alloc> class basic_string;

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

不难发现string在栈内存空间上只占用一个指针(_CharT* _M_p)的大小空间，因此sizeof(string)==8。其他信息都存储在堆内存空间上。

问题1：
我们有下面这一条C++语句：

1	string name;

请问，name这个变量总共带来多大的内存开销？这个问题我们稍后解答。

3. std::string内存空间布局

下面我们通过常见的用法来剖析一下string对象内部内存空间布局情况。
最常见的string用法是通过c风格字符串构造一个string对象，例如：
string name(“zieckey”);

其调用的构造函数定义如下：

1	basic_string(const _CharT* __s, const _Alloc& __a)

2	: _M_dataplus( _S_construct(__s , __s ? __s + traits_type ::length( __s) :

3	__s + npos , __a), __a)

4

{}

 

该构造函数直接调用 _S_construct 来构造这个对象，定义如下：

01	template<typename _CharT, typename _Traits , typename _Alloc>

02	template<typename _InIterator>

03

_CharT*

04	basic_string<_CharT , _Traits, _Alloc>::

05	_S_construct(_InIterator __beg, _InIterator __end , const _Alloc& __a ,

06	input_iterator_tag)

07

{

08	// Avoid reallocation for common case.

09	_CharT __buf[128];

10	size_type __len = 0;

11	while ( __beg != __end && __len < sizeof(__buf ) / sizeof( _CharT))

12

{

13	__buf[__len ++] = *__beg;

14

++ __beg;

15

}

16

17	//构造一个 _Rep 结构体，同时分配足够的空间，具体见下面内存映像图示

18	_Rep* __r = _Rep ::_S_create( __len, size_type (0), __a);

19

20	//拷贝数据到 string对象内部

21	_M_copy( __r->_M_refdata (), __buf, __len);

22

__try

23

{

24	while (__beg != __end)

25

{

26	if (__len == __r-> _M_capacity)

27

{

28	// Allocate more space.

29	_Rep* __another = _Rep:: _S_create(__len + 1, __len, __a);

30	_M_copy(__another ->_M_refdata(), __r->_M_refdata (), __len);

31	__r->_M_destroy (__a);

32	__r = __another ;

33

}

34	__r->_M_refdata ()[__len++] = * __beg;

35

++ __beg;

36

}

37

}

38	__catch(...)

39

{

40	__r->_M_destroy (__a);

41	__throw_exception_again;

42

}

43	//设置字符串长度、引用计数以及赋值最后一个字节为结尾符 char_type()

44	__r-> _M_set_length_and_sharable(__len );

45

46	//最后，返回字符串第一个字符的地址

47	return __r->_M_refdata ();

48

}

49

50	template<typename _CharT, typename _Traits , typename _Alloc>

51	typename basic_string <_CharT, _Traits, _Alloc >::_Rep*

52	basic_string<_CharT , _Traits, _Alloc>::_Rep ::

53	_S_create(size_type __capacity, size_type __old_capacity ,

54	const _Alloc & __alloc)

55

{

56	// 需要分配的空间包括：

57	//  一个数组 char_type[__capacity]

58	//  一个额外的结尾符 char_type()

59	//  一个足以容纳 struct _Rep 空间

60	// Whew. Seemingly so needy, yet so elemental.

61	size_type __size = (__capacity + 1) * sizeof( _CharT) + sizeof (_Rep);

62

63	void* __place = _Raw_bytes_alloc (__alloc). allocate(__size ); //申请空间

64

65	_Rep * __p = new (__place) _Rep;// 在地址__place 空间上直接 new对象( 称为placement new)

66	__p-> _M_capacity = __capacity ;

67	__p-> _M_set_sharable();// 设置引用计数为0，标明该对象只为自己所有

68	return __p;

69

}

 

_Rep定义如下：

1	struct _Rep_base

2

{

3	size_type               _M_length;

4	size_type               _M_capacity;

5	_Atomic_word            _M_refcount;

6

};

 

至此，我们可以回答上面“问题1”中提出的问题：
上文中”string name;”这个name对象所占用的总空间为33个字节，具体如下：

1	sizeof(std::string) + 0 + sizeof('') + sizeof(std::string::_Rep)

 

其中：sizeof(std::string)为栈空间

上文中的提到的另一条C++语句 string name(“zieckey”); 定义了一个string变量name，其内存空间布局如下：

4. 深入string内部源码

4.1. string copy与strncpy

长期以来，经常看到有人对std::string赋值拷贝与strncpy之间的效率进行比较和讨论。下面我们通过测试用例来进行一个基本的测试：

01	#include<iostream>

02	#include<cstdlib>

03	#include<string>

04	#include<ctime>

05	#include<cstring>

06

07	using namespace std;

08

09	const int array_size = 200;

10	const int loop_count = 1000000;

11

12	void test_strncpy ()

13

{

14	char s1[array_size ];

15	char* s2= new char[ array_size];

16	memset( s2, 'c' , array_size);

17	size_t start=clock ();

18	for( int i =0;i!= loop_count;++i ) strncpy( s1,s2 , array_size);

19	cout<< __func__ << " : " << clock()- start<<endl ;

20	delete s2;

21	s2 = NULL;

22

}

23

24	void test_string_copy ()

25

{

26	string s1;

27	string s2;

28	s2. append(array_size , 'c');

29	size_t start=clock ();

30	for( int i =0;i!= loop_count;++i ) s1= s2;

31	cout<< __func__ << " : " << clock()- start<<endl ;

32

}

33

34	int main ()

35

{

36	test_strncpy();

37	test_string_copy();

38

return 0;

39

}

 

使用g++ -O3编译，运行时间如下：

test_strncpy : 40000
test_string_copy : 10000

字符串strncpy的运行时间居然是string copy的4倍。究其原因就是因为，string copy是基于引用计数技术，每次copy的代价非常小。
测试中我们还发现，如果array_size在10个字节以内的话，两者相差不大，随着array_size的变大，两者的差距也越来越大。例如，在array_size=1000的时候，strncpy就要慢13倍。

4.2. 通过GDB调试查看引用计数变化

上面的测试结论非常好，打消了大家对string性能问题的担忧。下面我们通过一段程序来验证引用计数在这一过程中的变化和作用。
请先看一段测试代码：

01	#include <assert.h>

02	#include <iostream>

03	#include <string>

04

05	using namespace std;

06

07	int main ()

08

{

09	string a = "0123456789abcdef" ;

10	string b = a ;

11	cout << "a.data() =" << (void *)a. data() << endl ;

12	cout << "b.data() =" << (void *)b. data() << endl ;

13	assert( a.data () == b. data());

14	cout << endl;

15

16	string c = a ;

17	cout << "a.data() =" << (void *)a. data() << endl ;

18	cout << "b.data() =" << (void *)b. data() << endl ;

19	cout << "c.data() =" << (void *)c. data() << endl ;

20	assert( a.data () == c. data());

21

22	cout << endl;

23	c[0] = '1';

24	cout << "after write:n";

25	cout << "a.data() =" << (void *)a. data() << endl ;

26	cout << "b.data() =" << (void *)b. data() << endl ;

27	cout << "c.data() =" << (void *)c. data() << endl ;

28	assert( a.data () != c. data() && a .data() == b.data ());

29

return 0;

30

}

 

运行之后，输出：

a.data() =0xc22028
b.data() =0xc22028

a.data() =0xc22028
b.data() =0xc22028
c.data() =0xc22028

after write:
a.data() =0xc22028
b.data() =0xc22028
c.data() =0xc22068

上述代码运行的结果输出反应出，在我们对b、c赋值之后，a、b、c三个string对象的内部数据的内存地址都是一样的。只有当我们对c对象进行修改之后，c对象的内部数据的内存地址才不一样，这一点是是如何做到的呢？

我们通过gdb调试来验证引用计数在上述代码执行过程中的变化：

01	(gdb) b 10

02	Breakpoint 1 at 0x400c35: file string_copy1.cc, line 10.

03	(gdb) b 16

04	Breakpoint 2 at 0x400d24: file string_copy1.cc, line 16.

05	(gdb) b 23

06	Breakpoint 3 at 0x400e55: file string_copy1.cc, line 23.

07

(gdb) r

08	Starting program: [...]/unixstudycode/string_copy/string_copy1

09	[Thread debugging using libthread_db enabled]

10

11	Breakpoint 1, main () at string_copy1.cc:10

12	10          string b = a;

13

14	(gdb) x/16ub a._M_dataplus._M_p-8

15	0x602020:       0       0       0       0       0       0       0       0

16	0x602028:       48      49      50      51      52      53      54      55

此时对象a的引用计数是0

1

(gdb) n

2	11          cout << "a.data() =" << (void*)a.data() << endl;

b=a 将a赋值给b，string copy

1	(gdb) x/16ub a._M_dataplus._M_p-8

2	0x602020:       1       0       0       0       0       0       0       0

3	0x602028:       48      49      50      51      52      53      54      55

此时对象a的引用计数变为1，表明有另一个对象共享该对象a

01

(gdb) c

02	Continuing.

03	a.data() =0x602028

04	b.data() =0x602028

05

06	Breakpoint 2, main () at string_copy1.cc:16

07	16          string c = a;

08	(gdb) x/16ub a._M_dataplus._M_p-8

09	0x602020:       1       0       0       0       0       0       0       0

10	0x602028:       48      49      50      51      52      53      54      55

11

(gdb) n

12	17          cout << "a.data() =" << (void*)a.data() << endl;

c=a 将a赋值给c，string copy

1	(gdb) x/16ub a._M_dataplus._M_p-8

2	0x602020:       2       0       0       0       0       0       0       0

3	0x602028:       48      49      50      51      52      53      54      55

此时对象a的引用计数变为2，表明有另外2个对象共享该对象a

01

(gdb) c

02	Continuing.

03	a.data() =0x602028

04	b.data() =0x602028

05	c.data() =0x602028

06

07	Breakpoint 3, main () at string_copy1.cc:23

08	23          c[0] = '1';

09

(gdb) n

10	24          cout << "after write:n";

对c的值进行修改

1	(gdb) x/16ub a._M_dataplus._M_p-8

2	0x602020:       1       0       0       0       0       0       0       0

3	0x602028:       48      49      50      51      52      53      54      55

此时对象a的引用计数变为1

1	(gdb) p a._M_dataplus._M_p

2	$3 = 0x602028 "0123456789abcdef"

3	(gdb) p b._M_dataplus._M_p

4	$4 = 0x602028 "0123456789abcdef"

5	(gdb) p c._M_dataplus._M_p

6	$5 = 0x602068 "1123456789abcdef"

此时对象c的内部数据内存地址已经与a、b不同了，即Copy-On-Write

上述GDB调试过程，清晰的验证了3个string对象a b c的通过引用计数技术联系在一起。

4.3. 源码分析string copy

下面我们阅读源码来分析。上述过程。
先看string copy过程的源码：

01

//拷贝构造函数

02	basic_string(const basic_string& __str)

03	: _M_dataplus( __str._M_rep ()->_M_grab( _Alloc(__str .get_allocator()),

04	__str.get_allocator ()),

05	__str.get_allocator ())

06

{}

07

08	_CharT* _M_grab(const _Alloc& __alloc1, const _Alloc& __alloc2)

09

{

10	return (! _M_is_leaked() && __alloc1 == __alloc2)

11	? _M_refcopy() : _M_clone (__alloc1);

12

}

13

14	_CharT*_M_refcopy() throw ()

15

{

16	#ifndef _GLIBCXX_FULLY_DYNAMIC_STRING

17	if ( __builtin_expect(this != &_S_empty_rep(), false))

18

#endif

19	__gnu_cxx::__atomic_add_dispatch (&this-> _M_refcount, 1);

20	return _M_refdata();

21

}

 

上面几段源代码比较好理解，先后调用了basic_string (const basic_string& __str )拷贝构造函数、_M_grab、_M_refcopy，
_M_refcopy实际上就是调用原子操作__atomic_add_dispatch (确保线程安全)将引用计数+1，然后返回原对象的数据地址。
由此可以看到，string对象之间的拷贝/赋值代价非常非常小。

几个赋值语句之后，a、b、c对象的内存空间布局如下图所示：

4.4. Copy-On-Write

下面再来看”c[0] = ’1′; “做了些什么：

01	reference operator []( size_type __pos )

02

{

03	_M_leak();

04	return _M_data ()[__pos ];

05

}

06

07	void _M_leak ()    // for use in begin() & non-const op[]

08

{

09	//前面看到 c 对象在此时实际上与a对象的数据实际上指向同一块内存区域

10	//因此会调用 _M_leak_hard()

11	if (! _M_rep ()->_M_is_leaked ())

12	_M_leak_hard ();

13

}

14

15	void _M_leak_hard ()

16

{

17	if ( _M_rep ()->_M_is_shared ())

18	_M_mutate (0, 0, 0);

19	_M_rep()-> _M_set_leaked ();

20

}

21

22	void _M_mutate ( size_type __pos , size_type __len1, size_type __len2 )

23

{

24	const size_type __old_size = this-> size ();//16

25	const size_type __new_size = __old_size + __len2 - __len1 ; //16

26	const size_type __how_much = __old_size - __pos - __len1 ; //16

27

28	if ( __new_size > this -> capacity() || _M_rep ()->_M_is_shared ())

29

{

30	// 重新构造一个对象

31	const allocator_type __a = get_allocator ();

32	_Rep * __r = _Rep:: _S_create (__new_size , this-> capacity (), __a );

33

34

// 然后拷贝数据

35	if (__pos )

36	_M_copy (__r -> _M_refdata(), _M_data (), __pos );

37	if (__how_much )

38	_M_copy (__r -> _M_refdata() + __pos + __len2 ,

39	_M_data () + __pos + __len1, __how_much );

40

41	//将原对象上的引用计数减

42	_M_rep ()->_M_dispose ( __a);

43

44	//绑定到新的对象上

45	_M_data (__r -> _M_refdata());

46

}

47	else if (__how_much && __len1 != __len2 )

48

{

49	// Work in-place.

50	_M_move (_M_data () + __pos + __len2 ,

51	_M_data () + __pos + __len1, __how_much );

52

}

53

54	//最后设置新对象的长度和引用计数值

55	_M_rep()-> _M_set_length_and_sharable (__new_size );

56

}

 

上面源码稍微复杂点，对c进行修改的过程分为以下两步：

1. 第一步是判断是否为共享对象，(引用计数大于0)，如果是共享对象，就拷贝一份新的数据，同时将老数据的引用计数值减1。
2. 第二步：在新的地址空间上进行修改，从而避免了对其他对象的数据污染

由此可以看出，如果不是通过string提供的接口对string对象强制修改的话，会带来潜在的不安全性和破坏性。例如：

1	char* p = const_cast<char*>(s1.data());

2	p[0] = 'a';

上述代码对c修改(“c[0] = ’1′; “)之后，a b c对象的内存空间布局如下：

Copy-On-Write的好处通过上文的解析是显而易见是，但也带来一些副作用。例如上述代码片段”c[0] = ’1′; “如果是通过外部的强制操作可能会带来意想不到的结果。请看下面代码：

1	char* pc = const_cast(c.c_str());

2	pc[0] = '1';

这段代码通过强制修改c对象内部数据的值，看似效率上比operator[] 高，但同时也修改a、b对象的值，而这可能不是我们所希望看到的。这是我们需要提高警惕的地方。

5.   不宜使用string的例子 

我们项目组内部有一个分布式的内存kv系统，一般是md5做key，value是任意二进制数。当初设计的时候，考虑到内存容量始终有限，没有选择使用string，而是单独开发的key结构和value结构。下面是我们设计的key结构定义：

1	struct Key

2

{

3	uint64_t low;

4	uint64_t high;

5

};

该结构所需内存大小为16字节，保持二进制的16字节MD5。相对于string做key来说，要节省33(参考上文string内存空间布局)个字节。例如，现在我们某个项目正在使用该系统的搭建的一个分布式集群，总共有100亿条记录，每条记录都节省33字节，总共节省内存空间：33*100亿=300多G。由此可见，仅仅对key的一个小小改进，就能节省如此大的内存，还是非常值得。

6. 对比微软Visual Studio提供的STL版本

vc6.0的string实现是基于引用计数的，但不是线程安全的。但在后续版本的vc中去掉了引用计数技术，string copy 都直接进行深度内存拷贝。
由于string实现上的细节不一致，导致跨平台程序的移植带来潜在的风险。这种场合下，我们需要额外注意。

 

7. 总结

1. 即使是一个空string对象，其所占内存空间也达到33字节，因此在内存使用要求比较严格的应用场景，例如memcached等，请慎重考虑使用string。
2. string由于使用引用计数和Copy-On-Write技术，相对于strcpy，string copy的性能提升非常显著。
3. 使用引用计数后，多个string指向同一块内存区域，因此，如果强制修改一个string的内容，会影响其他string。