深度解读C++17中的std::string_view：解锁字符串处理的新境界

一、简介

C++中有两类字符串，即C风格字符串（字符串字面值、字符数组、字符串指针）和std::string对象两大类。

C风格字符串：

#include <string.h>int main()
{//C风格字符串初始化方式char* arr = "LionLong";char arr[] = "LionLong";char arr[] = { 'L', 'i', 'o', 'n', 'L', 'o','n', 'g', '\0' }; //结尾必须有\0结束符//C风格字符串函数strlen(arr);strcmp(arr1, arr2);strcat(arr1, arr2);strcpy(arr1, arr2);return 0;
}

C++ std::string对象：

#include <string>//初始化方式
std::string s1;
std::string s2(s1);
std::string s3 = s1;
std::string s4("LionLong");
std::string s4 = "LionLong";
std::string s5 = std::string("LionLong");
std::string s6(6, 'L'); //LLLLLL//对象操作
s1.empty();
s1.size();
s[n];
s.substr(3, 5);

当需要将字符串作为参数传递给函数时，往往会伴随字符串的拷贝。当数据占用较大内存时，减少数据的拷贝显得尤为重要。

在C++17之前，可以通过C风格字符串指针作为函数形参，也可以通过std::string字符串引用类型 作为函数形参。但是这并不完美，从实践上看，存在以下问题：

• C风格字符串的传递仍会进行拷贝。字符数组、字符串字面量和字符串指针是可以隐式转换为std::string对象的，当函数的形参是std::string，而传递的实参是C风格字符串时，编译器会做一次隐式转换，生成一个临时的std::string对象，再让形参指向这个对象。字符串字面值一般较小，性能消耗可以忽略不计；但是字符数组和字符串指针往往较大，频繁的数据拷贝就会造成较大的性能消耗，不得不重视。
• substr()的复杂度是O(N)。std::string提供了一个返回字符串子串的函数，但是每次返回的都是一个新的对象，也需要进行构造。

那么有没有办法在原始字符串的基础上进行操作呢？答案是std::string_view。

在C++17中引入的std::string_view是一种轻量级的字符串视图类型，类似于Golang的slice。它的出现主要是为了提供一种非拥有性的字符串引用机制，用于处理字符串的读取和操作，而无需进行内存拷贝或分配新的字符串对象。

std::string_view并不会真正分配存储空间，而只是原始数据的一个只读窗口，可以认为它是一个内存的观察者。std::string_view的结构非常简单，只会保持原始字符串的起始指针以及字符串的长度，这个结构不会占用太多内存，开销非常小。

std::string_view的出现意义和重要性：

1. 减少内存拷贝：使用std::string_view可以避免不必要的字符串拷贝操作，特别是在函数参数传递和返回值返回时，可以显著提高性能和效率。

2. std::string_view提供了类似std::string的接口，可以方便地进行字符串的访问和操作，例如查找子串、比较字符串、截取子串等，而无需额外的内存分配和释放。现有的基于std::string的代码可以无缝地迁移到使用std::string_view的代码。

3. std::string_view不仅可以用于处理std::string类型的字符串，还可以用于处理其他字符序列，包括字符数组、字符指针等。

二、std::string_view的基础知识

std::string_view是对字符串的一种非拥有式（non-owning）表示，意味着它不拥有字符串的内存，而是通过指针和长度来引用现有的字符串数据。

std::string_view定义于C++标准库头文件<string_view>中，std::string_view的定义如下：

namespace std {template<class charT, class traits = std::char_traits<charT>>class basic_string_view {public:// 构造函数constexpr basic_string_view() noexcept;constexpr basic_string_view(const charT* str);constexpr basic_string_view(const charT* str, size_t len);// 成员函数constexpr const charT* data() const noexcept;constexpr size_t size() const noexcept;constexpr bool empty() const noexcept;constexpr charT operator[](size_t pos) const;constexpr charT front() const;constexpr charT back() const;constexpr basic_string_view substr(size_t pos, size_t count = npos) const;constexpr int compare(basic_string_view other) const noexcept;constexpr size_t find(basic_string_view str, size_t pos = 0) const noexcept;// ...};// 类型别名using string_view = basic_string_view<char>;using wstring_view = basic_string_view<wchar_t>;using u16string_view = basic_string_view<char16_t>;using u32string_view = basic_string_view<char32_t>;
}

std::string_view实际上是一种模板类basic_string_view的一种实现。与之类似的还有wstring_view、u8string_view、u16string_view、u32string_view。

std::string_view的特点：

1. 轻量级：std::string_view本身只包含一个指向字符串数据的指针和一个长度，因此它的大小非常小。
2. 非拥有式：std::string_view不拥有字符串数据的内存，它只是对现有字符串数据的引用。这意味着它可以安全地引用临时字符串、字符串字面量或其他字符串对象，而无需复制数据。
3. 零拷贝：由于std::string_view不拥有字符串数据，它可以在不进行数据复制的情况下对字符串进行操作。
4. 不可变性：std::string_view是只读的，它提供了一系列成员函数来访问和操作字符串数据，但不能修改字符串的内容。
5. 字符串操作支持：std::string_view提供了一组成员函数，例如data()、size()、empty()、substr()、compare()和find()等，使得对字符串数据的常见操作变得方便和高效。

通过使用std::string_view，可以在不引入额外的内存开销的情况下，对字符串进行查看和操作，这在许多情况下都是非常有用的。

相比传统的字符串类型（如std::string或C风格的字符串），传统的字符串类型（如std::string或C风格的字符串）需要进行内存分配和拷贝操作，导致额外的开销和性能损失。而std::string_view则更加轻量级和高效，适用于对字符串进行读取和操作，特别是在函数参数传递、字符串处理和性能敏感的场景下。

需要注意的是，由于std::string_view只是对字符串的引用，使用时需要确保字符串的生命周期长于std::string_view的使用范围，以避免悬空引用或访问已释放的内存。

std::string_view是C++17中引入的一种轻量级字符串视图类型，用于以非拥有（non-owning）的方式引用字符串数据。它提供了一种有效的方式来访问字符串，而无需进行复制或拥有内存。

2.1、构造函数

//默认构造函数
constexpr basic_string_view() noexcept;
//拷贝构造函数
constexpr basic_string_view(const string_view& other) noexcept = default;
//直接构造，构造一个从s所指向的字符数组开始的前count个字符的视图
constexpr basic_string_view(const CharT* s, size_type count);
//直接构造，构造一个从s所指向的字符数组开始，到\0之前为止的视图，不包含空字符
constexpr basic_string_view(const CharT* s);

std::string_view的构造方法：

• 默认构造方法：std::string_view()，创建一个空的string_view。
• 字符串指针构造方法：std::string_view(const char* str)，创建一个string_view，指向以null结尾的C风格字符串。
• 字符串指针和长度构造方法：std::string_view(const char* str, size_t len)，创建一个string_view，指向给定长度的字符序列。
• std::string构造方法：std::string_view(const std::string& str)，创建一个string_view，指向std::string对象的字符序列。
• 字符串迭代器构造方法：std::string_view(InputIt first, InputIt last)，创建一个string_view，指向[first, last)区间内的字符序列。

std::string类重载了从string到string_view的转换操作符：

operator std::basic_string_view<CharT, Traits>() const noexcept;

因此可以通过std::string来构造一个std::string_view：

std::string_view foo(std::string("LionLong"));

这个过程其实包含三步：

1. 构造std::string的临时对象a；
2. 通过转换操作符将临时对象a转换为string_view类型的临时对象b；
3. 调用std::string_view的拷贝构造函数。

2.2、成员函数

std::string_view的成员函数和操作符：

• data()：返回string_view所指向的字符序列的指针。
• size()、length()：返回string_view所指向的字符序列的长度。
• max_size()：返回可以容纳的最大长度。
• empty()：检查string_view是否为空，即长度是否为0。
• operator[]()：访问string_view中指定位置的字符。
• at()：以安全的方式访问string_view中指定位置的字符，会进行边界检查。
• front()：返回string_view中第一个字符。
• find()：返回首次出现给定子串的位置。
• back()：返回string_view中最后一个字符。
• begin()：返回指向string_view中第一个字符的迭代器。
• end()：返回指向string_view末尾的迭代器。
• cbegin()：返回指向string_view中第一个字符的const迭代器。
• cend()：返回指向string_view末尾的const迭代器。
• substr()：返回一个新的string_view，包含原始string_view的子字符串。不同于std::string::substr()的时间复杂度O(n)，它的时间复杂度是O(1)。
• remove_prefix()：移除前缀，将string_view的起始位置向后移动指定数量的字符。
• remove_suffix()：移除后缀，将string_view的结束位置向前移动指定数量的字符。
• swap()：交换两个string_view的内容。
• compare()：比较两个视图是否相等。
• starts_with() ：C++20新增，判断视图是否以以给定的前缀开始。
• ends_with()：C++20新增，判断视图是否以给定的后缀结尾。
• contains()：C++23新增，判断视图是否包含给定的子串。

这些成员函数与std::basic_string的相同成员函数完全兼容，可以认为是对其调用的一层封装。不同于std::basic_string::data()和字符串字面量，data()可以返回指向非空终止的缓冲区的指针。

data()示例：

#include <string_view>using namespace std::string_view_literals;int main() {std::string_view sv("hello, LionLong");std::cout << "sv = " << sv<< ", size() = " << sv.size()<< ", data() = " << sv.data() << std::endl;std::string_view sv2 = sv.substr(0, 5);std::cout << "sv2 = " << sv2<< ", size() = " << sv2.size()<< ", data() = " << sv2.data() << std::endl;std::string_view sv3 = "hello\0 LionLong"sv;//std::string_view sv4("hello\0 LionLong"sv)std::cout << "sv3 = " << sv3<< ", size() = " << sv3.size()<< ", data() = " << sv3.data() << std::endl;std::string_view sv4("hello\0 LionLong");std::cout << "sv4 = " << sv4<< ", size() = " << sv4.size()<< ", data() = " << sv4.data() << std::endl;
}

输出：

sv = hello, LionLong, size() = 14, data() = hello, LionLong
sv2 = hello, size() = 5, data() = hello, LionLong
sv3 = hello LionLong, size() = 14, data() = hello
sv4 = hello, size() = 5, data() = hello

可以看到data()会返回的是起始位置的字符指针（const char*），以data()返回值进行打印会一直输出直到遇到空字符。因此使用data()需要非常小心。

max_size()示例：

std::string_view sv;
std::cout << sv.max_size() << std::endl; //4611686018427387899

remove_prefix()示例：视图的起始位置向后移动n位，收缩视图的大小。

std::string str = "   hello";
std::string_view v = str;
v.remove_prefix(std::min(v.find_first_not_of(" "), v.size()));
std::cout << "String: '" << str << "', View  : '" << v << << "'" << std::endl; 
//输出
// String: '   hello', View  : 'hello'

三、std::string_view为什么性能高？

• std::string_view采用享元设计模式，通常以ptr和length的结构来实现，非常轻便。

• std::string_view上的字符串操作具有和std::string同类操作一致的复杂度。

• std::string_view中的字符串操作大多数是constexpr的，都可在编译器执行，省去了运行时的复杂度。

四、std::string_view的使用陷阱

1. 前面介绍data()函数的时候有提到过，data()会返回的是起始位置的字符指针，若以其返回值进行输出打印，会一直输出直到遇到\0结束符。
2. std::string_view不持有所指向内容的所有权，所以如果把std::string_view局部变量作为函数返回值，则在函数返回后，内存会被释放，将出现悬垂指针或悬垂引用。
3. 由于std::string_view只是字符串数据的视图，并不拥有字符串数据，它不能用于修改原始字符串的内容。如果尝试修改std::string_view所引用的字符串数据，将导致未定义行为。如果需要修改字符串数据，应该使用std::string而不是std::string_view。
4. 当使用std::string_view时，需要注意空指针的风险。如果将一个空指针传递给std::string_view，它的行为是未定义的。在使用std::string_view之前，应该检查字符串指针是否为空，以避免潜在的问题。

std::string_view foo() {std::string s { "hello, LionLong" };return std::string_view { s };
}int main() {std::cout << foo() << std::endl; //可能的输出：=�;Vreturn 0;
}

五、std::string_view源码解析

//<string_view>
template<typename _CharT, typename _Traits = std::char_traits<_CharT>>
class basic_string_view
{
public:// typesusing traits_type = _Traits;using value_type = _CharT;using pointer = value_type*;using const_pointer = const value_type*;using reference = value_type&;using const_reference = const value_type&;using const_iterator = const value_type*;using iterator = const_iterator;using const_reverse_iterator = std::reverse_iterator<const_iterator>;using reverse_iterator = const_reverse_iterator;using size_type = size_t;using difference_type = ptrdiff_t;static constexpr size_type npos = size_type(-1);constexpr basic_string_view() noexcept: _M_len{0}, _M_str{nullptr}{ }constexpr basic_string_view(const basic_string_view&) noexcept = default;constexpr basic_string_view(const _CharT* __str) noexcept: _M_len{traits_type::length(__str)}, _M_str{__str}{ }constexpr basic_string_view(const _CharT* __str, size_type __len) noexcept: _M_len{__len}, _M_str{__str}{ }//...private:size_t _M_len;const _CharT* _M_str;
};

std::string_view的实现并不复杂，在底层其实是一个非常简单的结构。std::string_view通常由两个成员变量组成：

1. 指向字符串数据的指针（通常是const char*）。
2. 字符串数据的长度。

构造函数只是对这两个成员变量进行初始化。这两个成员变量使得std::string_view能够表示字符串的范围，而不需要复制字符串数据。因此，它的创建和销毁成本非常低。

这两个成员变量使得std::string_view能够表示字符串的范围，而不需要复制字符串数据。因此，它的创建和销毁成本非常低。

看一下std::string_view的几个成员函数实现：

//<string_view> class basic_string_view
constexpr const_pointer data() const noexcept
{return this->_M_str;
}constexpr void remove_prefix(size_type __n) noexcept
{__glibcxx_assert(this->_M_len >= __n);this->_M_str += __n;this->_M_len -= __n;
}constexpr void remove_suffix(size_type __n) noexcept
{this->_M_len -= __n;
}constexpr basic_string_view substr(size_type __pos = 0, size_type __n = npos) const noexcept(false)
{__pos = std::__sv_check(size(), __pos, "basic_string_view::substr");const size_type __rlen = std::min(__n, _M_len - __pos);return basic_string_view{_M_str + __pos, __rlen};
}

内部实现方面，std::string_view的成员函数和操作符通常是非常轻量级的。底层实现原理相对简单，主要围绕着对指针和长度的操作展开。

六、总结

std::string_view是C++17引入的一个非拥有的字符串视图类型，它提供了一种轻量级的方式来访问现有字符串数据。std::string_view通过避免字符串复制和内存分配，它可以显著提高程序性能，并提供方便的字符串处理能力。但是，在使用过程中需要注意正确管理原始字符串的生命周期，以确保使用的字符串数据有效和安全。