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C++17 新特性： std::string_view —— 减少内存分配，让std::string运行得更快

news 2025/10/12 7:29:31

在 C++ 中，字符串操作看似简单，但在性能敏感的场景下，频繁的堆内存分配可能会成为性能瓶颈。C++17 引入了 std::string_view，可以让我们以零拷贝的方式访问字符串数据，从而显著提升性能。本文将通过实际代码演示问题、验证方法和解决方案。

一、原始方法的问题：`std::string` 会隐式分配内存

在 C++ 中，std::string 会在构造时分配内存。例如：

#include <iostream>
#include <string>void PrintName(const std::string& name) {std::cout << "Name: " << name << std::endl;
}int main() {std::string name = "Hatsune Miku";PrintName(name);
}

即便是传入字面量 "Hatsune Miku"，std::string 也会在堆上分配内存来存储字符串。

如果我们要拆分名字和姓氏：

std::string firstName = name.substr(0, 7);
std::string lastName  = name.substr(8, 4);PrintName(firstName);
PrintName(lastName);

每次 substr() 都会触发新的堆内存分配。频繁操作时，这种隐式分配可能成为性能瓶颈。

注意：现代 C++ 实现对小字符串使用 SSO（Small String Optimization）。
对于短字符串（通常 < 15~23 字符），std::string 会直接在栈上存储，不会触发堆分配。
所以对于 "Hatsune Miku" 这种短字符串，即使调用 substr()，堆分配计数仍可能是 0。

二、如何验证内存分配：重载 `operator new`

为了直观观察程序中的堆内存分配，可以重载全局 operator new：

static uint32_t s_AllocCount = 0;void* operator new(size_t size) {s_AllocCount++;std::cout << "Allocating " << size << " bytes\n";return malloc(size);
}

使用这个方法，我们可以统计堆分配次数：

std::string name = "Hatsune Miku";
std::string firstName = name.substr(0, 7);
std::string lastName  = name.substr(8, 4);PrintName(firstName);
PrintName(lastName);std::cout << s_AllocCount << " allocations totally\n";

输出示例：

Allocating 16 bytes
Allocating 16 bytes
Allocating 16 bytes
3 allocations totally

可以看到，每个 std::string 构造和 substr() 都触发了一次分配，说明原始方法确实会带来额外开销。

三、std::string_view 的主要特性

非拥有所有权：std::string_view 不管理字符串的内存，不负责分配或释放。
不可变性：视图中字符串内容不可被修改，保证数据安全性。
高效性：无需内存拷贝，传递和操作字符串更加高效。
灵活性：可以从多种类型的字符串对象构造，如 std::string、C 字符串等。

四、与 std::string 的区别

特性	std::string	std::string_view
所有权管理	拥有底层字符串的所有权	不拥有底层字符串的所有权
可变性	可修改字符串内容	不可修改字符串内容
内存拷贝	通常涉及内存拷贝	无需内存拷贝
构造成本	高（涉及内存分配和拷贝）	低（仅记录指针和长度）
生命周期管理	管理自身资源	依赖外部字符串的生命周期
使用场景	需要拥有或修改字符串时	只需读取或传递字符串时

理解这些区别有助于选择合适的数据类型，提高性能并减少不必要的堆分配。

五、使用 `std::string_view` 避免不必要分配

std::string_view 是一个轻量级对象，只包含一个指针和长度，并不拥有字符串本身。它可以安全地创建字符串“窗口”，而无需在堆上分配内存。

#include <iostream>
#include <string>
#include <string_view>void PrintName(std::string_view name) {std::cout << "Name: " << name << std::endl;
}int main() {std::string name = "Hatsune Miku";std::string_view firstName(name.c_str(), 7);   // 指向 "Hatsune"std::string_view lastName(name.c_str() + 8, 4); // 指向 "Miku"PrintName(firstName);PrintName(lastName);std::cout << s_AllocCount << " allocations totally\n";
}

输出结果：

Name: Hatsune
Name: Miku
1 allocations totally

这里仅在 name 初始化时发生一次分配，子字符串操作不再分配内存。

如果字符串本身是静态字面量，则可以做到完全零分配：

const char* name = "Hatsune Miku";std::string_view firstName(name, 7);
std::string_view lastName(name + 8, 4);PrintName(firstName);
PrintName(lastName);

输出结果：

Name: Hatsune
Name: Miku
0 allocations totally

字符串在静态存储区，string_view 仅是指针 + 长度，整个过程没有堆内存分配。

在这种情况下，程序 没有任何堆内存分配，效率最优。

六、总结

问题根源：std::string 拥有自己的内存，每次构造或 substr() 都会分配内存。
验证方法：重载 operator new 可以统计堆内存分配次数。
解决方案：std::string_view 提供对已有字符串的只读窗口，避免不必要的分配。
最佳实践：
- 函数参数尽量使用 std::string_view，减少隐式构造。
- 静态字符串使用 const char* + std::string_view 可做到零分配。
- 避免频繁使用 substr()，用 string_view 截取子串更高效。