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最快的方法。 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。

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

return "";

好多了？

Answer 1

这是 libc++ 实现

std::string

时有意做出的决定。

首先，

std::string

具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，

std::string

的“短表示”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（ basic_string<char> 无）
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

const char*

的构造函数只会写入这两个字节，这是最少的。 默认构造函数 “不必要” 将

std::string

包含的所有 24 个字节归零。 总体来说这可能会更好，因为它使编译器可以发出

std::memset

或其他 SIMD 并行方法来批量对字符串数组进行清零。

有关完整说明，请参阅下文：

正在初始化

""

/ 呼叫

string(const char*)

要了解发生了什么，让我们看一下 std::basic_string

的 libc++ 源代码：

// 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

是字符串的长度，从

std::char_traits<char>

获得：

// 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

最终只会写入一个字节，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_

归零，

__data_

的一个字节编译为：

mov word ptr [rdi], 0

正在初始化

{}

/ 呼叫

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：

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

__rep()

的值初始化会产生 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

如果您想为了一致性而在各处进行值初始化，请不要因此而阻止您。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，因为可以使用

std::memset

，或者其他一些将内存归零的SIMD方法。