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

Question

最近看了这个关于 facebook 实现字符串的视频，我很想看看微软实现的内部结构。不幸的是，字符串文件 (in %VisualStudioDirectory%/VC/include) 似乎不包含实际定义，而仅包含转换函数（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刺激。当然，我做的第一件事是测试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深入挖掘，该程序逐字节打印数据的内容（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;
}

这打印出来：

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

检查这一点，我们可以看到第二个字包含指向为字符串分配的数据的地址，第三个字是垃圾（短字符串优化的缓冲区），第四个字是大小，第五个字是容量。但是第一个词呢？它似乎是一个地址，但有什么用？不应该所有的事情都已经考虑到了吗？

为完整起见，以下输出显示了 SSO（字符串设置为“Short String”）。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，所以做了更多的测试，似乎 std::string 的大小在编译发布时实际上减少到 32 个字节，第一个字不再存在。但我仍然很想知道为什么会这样，以及这个额外的指针在调试模式下有什么用。

更新：根据用户 Yuushi 的提示，额外的词似乎与 Debug Iterator Support 相关。这在我关闭调试迭代器支持时得到了验证（此处显示了执行此操作的示例）并且 std::string 的大小减少到 32 字节，现在缺少第一个单词。

然而，看看 Debug Iterator Support 如何使用额外的指针来检查不正确的迭代器使用仍然会很有趣。

Answer 1

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

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

它的实现如下：

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 a_Compressed_pair<_Alty, _String_val<_Val_types> >来存储其数据，在std::string、_Altyisstd::allocator<char>和_Val_typesis 中_Simple_types<char>，因为std::is_empty<std::allocator<char>>::valueis true、sizeof _Compressed_pair<_Alty, _String_val<_Val_types> >与 相同sizeof _String_val<_Val_types>

类_String_val继承自which，它是when和otherwise的_Container_base一个。它们之间的区别是包含用于调试目的的指针。除此之外还有这些成员：typedef_Container_base0#if _ITERATOR_DEBUG_LEVEL == 0_Container_base12_Container_base12_Container_proxy_String_val

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。

并且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，则为sizeof std::string：

_BUF_SIZE + 2 * sizeof size_type

否则就是

sizeof pointer_type +  _BUF_SIZE + 2 * sizeof size_type