为什么将字符串初始化为“”比默认构造函数更有效？

Question

一般来说，默认构造函数应该是创建空容器的最快方法。这就是为什么我惊讶地发现它比初始化为空字符串文字更糟糕：

#include <string>

std::string make_default() {
    return {};
}

std::string make_empty() {
    return "";
}

编译为：（clang 16，libc++）

make_default():
        mov     rax, rdi
        xorps   xmm0, xmm0
        movups  xmmword ptr [rdi], xmm0
        mov     qword ptr [rdi + 16], 0
        ret
make_empty():
        mov     rax, rdi
        mov     word ptr [rdi], 0
        ret

请参阅编译器资源管理器中的实时示例。

请注意，返回{}总共将 24 个字节归零，但返回""仅将 2 个字节归零。怎么会return "";好很多呢？

Answer 1

这是 libc++ 实现std::string.

首先，std::string有所谓的小字符串优化（SSO），这意味着对于非常短（或空）的字符串，它将直接将其内容存储在容器内部，而不是分配动态内存。这就是为什么我们在这两种情况下都看不到任何分配。

在 libc++ 中，a 的“短表示”std::string包括：

尺寸（x86_64）	意义
1 位	“短标志”表示它是一个短字符串（零表示是）
7位	字符串的长度，不包括空终止符
0 字节	填充字节以对齐字符串数据（对于 没有填充basic_string<char>）
23字节	字符串数据，包括空终止符

对于空字符串，我们只需要存储两个字节的信息：

• 一个零字节用于“短标志”和长度
• 一个零字节作为空终止符

接受 a 的构造函数const char*只会写入这两个字节，这是最少的。默认构造函数“不必要地”将包含的所有 24 个字节清零std::string。 不过，总体而言，这可能更好，因为它使编译器可以发出std::memset或其他 SIMD 并行方式将字符串数组批量归零。

完整的解释请参见下文：

初始化""/调用string(const char*)

要了解发生了什么，让我们看一下libc++ 源代码std::basic_string：

// constraints...
/* specifiers... */ basic_string(const _CharT* __s)
  : /* leave memory indeterminate */ {
    // assert that __s != nullptr
    __init(__s, traits_type::length(__s));
    // ...
  }

这最终会调用__init(__s, 0)，其中0是从 获得的字符串长度std::char_traits<char>：

// template head etc...
void basic_string</* ... */>::__init(const value_type* __s, size_type __sz)
{
    // length and constexpr checks
    pointer __p;
    if (__fits_in_sso(__sz))
    {
        __set_short_size(__sz); // set size to zero, first byte
        __p = __get_short_pointer();
    }
    else
    {
        // not entered
    }
    traits_type::copy(std::__to_address(__p), __s, __sz); // copy string, nothing happens
    traits_type::assign(__p[__sz], value_type()); // add null terminator
}

__set_short_size最终将只写入一个字节，因为字符串的简短表示是：

struct __short
{
    struct _LIBCPP_PACKED {
        unsigned char __is_long_ : 1; // set to zero when active
        unsigned char __size_ : 7;    // set to zero for empty string
    };
    char __padding_[sizeof(value_type) - 1]; // zero size array
    value_type __data_[__min_cap]; // null terminator goes here
};

编译器优化后，将__is_long_、__size_和 1 个字节归零，__data_编译结果为：

mov word ptr [rdi], 0

初始化{}/调用string()

相比之下，默认构造函数更加浪费：

/* specifiers... */ basic_string() /* noexcept(...) */
  : /* leave memory indeterminate */ {
    // ...
    __default_init();
}

这最终会调用__default_init()，它会执行以下操作：

/* specifiers... */ void __default_init() {
    __r_.first() = __rep(); // set representation to value-initialized __rep
    // constexpr-only stuff...
}

a 的值初始化__rep()会产生 24 个零字节，因为：

struct __rep {
    union {
        __long  __l; // first union member gets initialized,
        __short __s; // __long representation is 24 bytes large
        __raw   __r;
    };
};

结论

如果您为了一致性而想在各处进行值初始化，请不要因此而阻止您这样做。不必要地清零一些字节并不是您需要担心的大性能问题。

事实上，在初始化大量字符串时它很有帮助，因为std::memset可以使用或其他一些 SIMD 方式将内存清零。