问题

为什么C++库开发人员都喜欢自己造一个字符串类?你见过性能最好开源字符串类是哪个? 为什么?

回答
C++ 库开发者热衷于为自己构建字符串类,这背后有一系列深层原因,涉及到 C++ 的特性、性能的极致追求以及对项目特定需求的精细控制。这并非是“炫技”或多此一举,而是源于对效率、内存管理和功能集的高度考量。

为什么C++库开发者喜欢自己造字符串类?

1. 避免 `std::string` 的性能“陷阱”与不可预测性:
内存分配策略的差异: `std::string` 在内部通常使用堆分配来存储字符串数据。这意味着每次字符串创建、修改(如拼接、插入、删除)都可能触发一次或多次内存分配和拷贝操作。对于频繁的小型字符串操作,或者在内存敏感的环境(如嵌入式系统、高性能服务器的请求处理循环)中,这种动态分配的开销会累积成显著的性能瓶颈。开发者可能希望通过预分配、内存池、栈分配(对于已知大小的字符串)等策略来优化。
CopyonWrite (COW) 的遗留问题(虽然已不常见): 在一些旧的 `std::string` 实现中,可能会使用 CopyonWrite 技术来优化字符串的复制,即多个字符串对象共享同一份内存直到其中一个被修改。这在多线程环境下可能引入同步开销和竞态条件,或者在某些情况下,修改一个字符串却导致意想不到的“深拷贝”,影响了预期性能。尽管现代 `std::string` 实现大多不使用 COW,但对底层内存管理的不确定性使得一些开发者更倾向于完全自己掌控。
小字符串优化 (SSO): 现代 `std::string` 实现通常会内置小字符串优化,即将短字符串直接存储在字符串对象本身(栈上)而不是堆上。这显著提高了短字符串的性能。然而,其优化的阈值和具体实现是标准库的一部分,可能无法满足所有极端性能场景的需求。自己实现的字符串类可以更灵活地调整 SSO 的阈值,甚至为不同长度范围的字符串采用不同的优化策略。

2. 精细的内存控制与优化:
自定义内存分配器: C++ 允许开发者为容器指定自定义内存分配器。自己实现的字符串类可以直接集成定制化的内存分配器,例如使用内存池(Pool Allocator)来减少碎片和分配/释放的开销,或者使用其他更适合特定应用场景的分配策略。
避免不必要的拷贝: C++ 的拷贝构造函数和赋值运算符默认是深拷贝。`std::string` 的某些操作(如 `+=`,`append`)可能会在内部触发不必要的内存重新分配和数据拷贝。通过精心设计的接口和内部实现,自定义字符串类可以减少这些不必要的拷贝,例如通过移动语义(move semantics)或直接在现有缓冲区上操作。
数据局部性: 在某些高性能计算场景下,将字符串数据(特别是短字符串或频繁访问的字符串)与相关数据存储在更紧凑的内存块中,可以提高 CPU 缓存的命中率,从而加速访问。自定义字符串类可以更容易地实现这种数据局部性。

3. 特定的功能需求与接口设计:
嵌入式系统或资源受限环境: 在嵌入式系统或对内存占用非常敏感的环境中,`std::string` 的开销(如长度、容量、指向数据的指针等)可能是不允许的。自定义字符串类可以设计得更轻量级,只包含必要的信息,甚至将数据直接嵌入到类对象中。
特定编码格式的支持: 例如,处理 UTF8、UTF16 或其他宽字符编码时,`std::string`(通常是 `char` 数组)需要额外的逻辑来正确处理多字节字符。自定义字符串类可以直接针对特定编码进行优化,提供更高效的遍历、查找和修改接口。
API 的一致性与易用性: 某些库可能期望一个与标准库兼容但行为略有不同的字符串接口,或者需要一个具有特定命名约定的字符串类,以保持整个库的API风格一致。

4. 对 C++ 标准演进的考虑:
虽然 C++ 标准在不断进步,引入了如移动语义、范围 for 循环等优化,但有时库开发者可能需要支持更旧的 C++ 标准,或者希望利用一些尚未成为标准的、但在特定编译器上可用的新特性(尽管这通常不推荐用于通用库)。自己实现字符串可以更好地控制这些依赖。

你见过性能最好开源字符串类是哪个?为什么?

要指出“性能最好”的开源字符串类是一个极具挑战性的问题,原因如下:

1. “性能最好”高度依赖于上下文:
工作负载: 是大量的短字符串创建和销毁?还是长字符串的频繁拼接和查找?是单线程还是多线程?是内存占用优先还是速度优先?
使用场景: 嵌入式系统?高性能网络服务器?游戏引擎?编译器?
硬件平台: 不同的 CPU 架构、缓存大小、内存带宽都会影响字符串的性能表现。

2. `std::string` 的演进与优化: 现代 C++ 标准库的 `std::string` 实现已经非常成熟,并且包含了许多重要的优化,如小字符串优化 (SSO)。在大多数通用场景下,经过良好优化的 `std::string` 实现(如 libstdc++ 或 libc++ 的最新版本)已经能够提供非常出色的性能。

然而,如果一定要选择在特定领域或以特定策略著称的“高性能”字符串实现,我会倾向于提及那些专注于极致性能、内存控制或特定使用场景的库,例如:

某些专门为网络协议解析或文本处理优化的库中的字符串实现。
一些用于游戏开发或高性能计算的自定义字符串实现。

为什么它们可能被认为性能更好(在特定领域):

极致的内存管理:
定制化的内存池: 它们可能不使用 `malloc`/`new`,而是预先分配一个大的内存块,然后从中高效地分配和释放小字符串的内存,极大地减少了内存分配和碎片化的开销。例如,可能会有一个 `StringArena` 或 `StringPool` 类,字符串对象直接从这个区域分配内存。
栈上分配优化: 对于非常短的字符串(例如长度小于 32 字节),会将字符串数据直接存放在字符串对象内部的缓冲区中,完全避免堆分配。其 SSO 的阈值可能比标准库更高或更灵活。
共享数据优化: 可能会实现更精细的共享机制,例如在字符串的片段之间共享缓冲区引用,而不是简单地复制整个字符串。

低层优化技术:
SIMD 指令的应用: 在字符串查找、比较、转换等操作中,可能会利用 CPU 的 SIMD(单指令多数据)指令集(如 SSE, AVX)来并行处理多个数据元素,从而显著加速这些操作。例如,`memchr` 或 `strstr` 的优化版本。
算法优化: 使用更高效的字符串匹配算法(如 BoyerMoore、RabinKarp),或者对常用操作进行汇编级别优化。

最小化的功能集与开销:
为了追求极致性能,这些字符串类可能会移除 `std::string` 中的一些通用但可能带来开销的功能,例如异常安全级别的保证(在某些极端的性能库中,可能会选择更快的非异常安全接口)。
其接口设计可能更侧重于性能,而不是绝对的“易用性”或标准兼容性。

举例说明一个可能具有代表性的思想(并非特指某个具体项目):

考虑一个假设的 `FastString` 类,它可能有以下特点:

1. 两个版本:
短版本 (SSO): 对于长度 `L <= 31` 的字符串,直接在对象内部的 `char buffer[32]` 中存储数据(最后一个字节用于 null 终止符,其余用于数据)。
长版本 (Heap): 对于 `L > 31` 的字符串,分配堆内存,并可能存储指向该内存块的指针、长度、容量,以及一个标志位表示是否为共享。

2. 内存管理:
对于堆分配的字符串,可能会使用一个预分配的内存块(Memory Arena),并在其中进行简单的线性分配或分配器管理。这避免了每次 `new` 都触发操作系统调用。当 Arena 被销毁时,所有从中分配的字符串内存都会一次性释放,减少了碎片和管理开销。
无 `capacity()` 的概念(或优化): 可能只关心实际使用的长度,而不是预留的容量,从而减少内存占用。

3. 操作优化:
拼接 (`+` 或 `append`): 针对 SSO 和堆分配字符串有不同的优化策略。例如,将一个 SSO 字符串拼接另一个 SSO 字符串,如果总长度仍然小于 SSO 阈值,则直接在目标字符串的内部缓冲区中进行操作。如果超过,则一次性分配足够的堆空间,并进行一次拷贝。
查找 (`find`): 可能针对 ASCII 或特定编码优化,并使用高效的查找算法。

为什么这可能“性能更好”?

显著减少了堆分配的次数和开销。 SSO 和 Arena 分配策略能极大地提升短字符串和大量字符串的创建、销毁性能。
提高了数据局部性。 短字符串直接存放在对象内部,访问速度更快。
避免了 `std::string` 的某些通用开销。 例如,可能不需要存储额外的 `capacity` 字段,或者使用了更简单的内存管理模型。

总结一下,C++ 开发者热衷于自己造字符串类,是因为 `std::string` 虽然强大且通用,但在某些特定场景下,其抽象层和服务可能带来无法接受的性能损耗。而高性能的开源字符串类通常是通过对内存管理、低层指令集和算法进行极致的定制化和优化来实现的,但它们的“最好”往往是针对特定应用场景的。

许多库的作者可能会参考 `std::string` 的接口,但从头开始实现自己的字符串类型,以满足他们对性能和控制的独特需求。这是一种对 C++ 语言特性进行深度挖掘和利用的体现。

网友意见

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字符串能用于存储人工或自然语言的文字,自然语言是复杂的,文字处理也是有各种各样的需求,C++标准库从 80 年代至今的发展已加入了大量的功能,但要集中处理各种场合的「最大公因数」,以至于处理历史包袱,及各个操作系统对语言处理的偏好。

随便列一下「理想的」字符串类能支持什么:

  • 跨平台、跨编译器、跨 C++ 版本
  • 支持 UTF-8/16/32,能包含 u0000 字符
  • 支持 Multi-Byte Character Set (MBCS) 等各种编码
  • 各种运算能正确处理各种编码的字符边界,包括 UTF-16 代理對(surrogate pair)
  • 支持各种编码间的转换
  • 支持各种语言的各种排序(如包括汉语拼音、笔划)
  • 支持编译期和运行期计算哈希值
  • 支持字符串视图(string view)及运算
  • 可自订分配器(custom allocator),可利用非连续的内存存储长字符串
  • 支持 ImmutableString Interning
  • 可选写入时复制(Copy-On-Write, COW)优化
  • 可选短字符串优化(Short String Optimization,SSO)
  • 支持各种 SIMD 指令集的优化
  • 低耦合性,用不到的功能不会被链接至执行文件

欢迎补充。

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