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【C++】?jī)?nèi)存中的字符串

前文 內(nèi)存中的字符串類型 學(xué)習(xí)研究了Go的字符串在內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型。

文本是兩年多前的一篇學(xué)習(xí)筆記，研究的是C++字符串在內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)。

環(huán)境

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. 1. 操作系統(tǒng)：Ubuntu 16.04。 
    2. 
  
  
  
  
  2. 2. 調(diào)試軟件：GNU gdb (Ubuntu 7.11.1-0ubuntu1~16.5) 7.11.1。 
    3. 
  
  
  
  
  3. 3. 編譯工具：g++ (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.11) 5.4.0 20160609。 
    4.

string類的定義

string定義在/usr/include/c++/5/bits/stringfwd.h頭文件中，如下：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. typedef basic_string string; 
    2.

basic_string類的定義通過泛型編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)定義請(qǐng)參考/usr/include/c++/5/bits/basic_string.h頭文件，看起來非常復(fù)雜，具體實(shí)現(xiàn)此處并不關(guān)心，不再討論。

測(cè)試string對(duì)象占用內(nèi)存空間

通過以下代碼可以測(cè)試string類對(duì)象占用內(nèi)存空間情況。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. // demo.cpp 
    2. 
  
  
  
  
  2. #include  
    3. 
  
  
  
  
  3. #include  
    4. 
  
  
  
  
  4.  
    5. 
  
  
  
  
  5. int main(int argc, char const *argv[]) 
    6. 
  
  
  
  
  6. { 
    7. 
  
  
  
  
  7.     using namespace std; 
    8. 
  
  
  
  
  8.  
    9. 
  
  
  
  
  9.     string s15(15, 'a'); // 字符串長(zhǎng)度15 
    10. 
  
  
  
  
  10.     string s16(16, 'x'); // 字符串長(zhǎng)度16 
    11. 
  
  
  
  
  11.      
    12. 
  
  
  
  
  12.     cout << "sizeof(string) = " << sizeof(string) << endl; 
    13. 
  
  
  
  
  13.     cout << "sizeof(s15) = " << sizeof(s15) << endl; 
    14. 
  
  
  
  
  14.     cout << "sizeof(s16) = " << sizeof(s16) << endl; 
    15. 
  
  
  
  
  15.  
    16. 
  
  
  
  
  16.     return 0; 
    17. 
  
  
  
  
  17. } 
    18.

因?yàn)?2位和64位可執(zhí)行程序不同，以下將分別編譯測(cè)試。

將以上代碼編譯成32位可執(zhí)行程序并執(zhí)行，結(jié)果如下：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. $ g++ -m32 -g demo.cpp 
    2. 
  
  
  
  
  2. $ ./a.out  
    3. 
  
  
  
  
  3. sizeof(string) = 24 
    4. 
  
  
  
  
  4. sizeof(s15) = 24 
    5. 
  
  
  
  
  5. sizeof(s16) = 24 
    6.

從以上輸出結(jié)果，可以十分確定string類對(duì)象在內(nèi)存中占用24個(gè)字節(jié)。

將以上代碼編譯成64位可執(zhí)行程序并執(zhí)行，結(jié)果如下：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. $ g++ -m64 -g demo.cpp 
    2. 
  
  
  
  
  2. $ ./a.out 
    3. 
  
  
  
  
  3. sizeof(string) = 32 
    4. 
  
  
  
  
  4. sizeof(s15) = 32 
    5. 
  
  
  
  
  5. sizeof(s16) = 32 
    6.

從以上輸出結(jié)果，可以十分確定string類對(duì)象在內(nèi)存中占用32個(gè)字節(jié)。

32位可執(zhí)行程序string對(duì)象的內(nèi)存分配

為了查看內(nèi)存分配，需要用到動(dòng)態(tài)調(diào)試工具，此處使用gdb，并在源碼16行設(shè)置斷點(diǎn)。

調(diào)試過程中，打印main方法的棧數(shù)據(jù)，以及string對(duì)象及相關(guān)數(shù)據(jù)的內(nèi)存，可以清晰看到string對(duì)象數(shù)據(jù)的內(nèi)存占用情況。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. $ gdb a.out  
    2. 
  
  
  
  
  2. GNU gdb (Ubuntu 7.11.1-0ubuntu1~16.5) 7.11.1 
    3. 
  
  
  
  
  3. Reading symbols from a.out...done. 
    4. 
  
  
  
  
  4. (gdb) b 16 
    5. 
  
  
  
  
  5. Breakpoint 1 at 0x8048a80: file demo.cpp, line 16. 
    6. 
  
  
  
  
  6. (gdb) r 
    7. 
  
  
  
  
  7. Starting program: a.out  
    8. 
  
  
  
  
  8. sizeof(string) = 24 
    9. 
  
  
  
  
  9. sizeof(s15) = 24 
    10. 
  
  
  
  
  10. sizeof(s16) = 24 
    11. 
  
  
  
  
  11.  
    12. 
  
  
  
  
  12. Breakpoint 1, main (argc=1, argv=0xffffced4) at demo.cpp:16 
    13. 
  
  
  
  
  13. 16      return 0; 
    14. 
  
  
  
  
  14. (gdb) x /24wx $esp  // 以16進(jìn)制格式打印24個(gè)寬度為4字節(jié)的main函數(shù)堆棧數(shù)據(jù)（共96個(gè)字節(jié)） 
    15. 
  
  
  
  
  15. 0xffffcdd0:  0x08048790  0x0804a0ed  0x0804a04c  0xffffced4 
    16. 
  
  
  
  
  16. 0xffffcde0:  0xffffffff  0x00004a00  0xffffce08  0xffffcdf4 
    17. 
  
  
  
  
  17. 0xffffcdf0:  0x0000000f  0x61616161  0x61616161  0x61616161 
    18. 
  
  
  
  
  18. 0xffffce00:  0x00616161  0x0804fa10  0x00000010  0x00000010 
    19. 
  
  
  
  
  19. 0xffffce10:  0x00000001  0xffffced4  0xffffcedc  0xd0415500 
    20. 
  
  
  
  
  20. 0xffffce20:  0xffffce40  0x00000000  0x00000000  0xf7c86637 
    21. 
  
  
  
  
  21. (gdb) x /wx &s15    // 打印變量s15的內(nèi)存地址 
    22. 
  
  
  
  
  22. 0xffffcdec:  0xffffcdf4 
    23. 
  
  
  
  
  23. (gdb) x /6xw 0xffffcdec // 打印string對(duì)象s15占用的24個(gè)字節(jié)內(nèi)存數(shù)據(jù) 
    24. 
  
  
  
  
  24. 0xffffcdec:  0xffffcdf4  0x0000000f  0x61616161  0x61616161 
    25. 
  
  
  
  
  25. 0xffffcdfc:  0x61616161  0x00616161 
    26. 
  
  
  
  
  26. (gdb) x /s 0xffffcdf4   // string對(duì)象s15的1-4個(gè)字節(jié)是一個(gè)指向字符數(shù)據(jù)的指針 
    27. 
  
  
  
  
  27. 0xffffcdf4:  'a'  
    28. 
  
  
  
  
  28. (gdb) x /16x 0xffffcdf4 // string對(duì)象s15的9-24個(gè)字節(jié)是代表數(shù)據(jù)的字符數(shù)組 
    29. 
  
  
  
  
  29. 0xffffcdf4:  0x61  0x61  0x61  0x61  0x61  0x61  0x61  0x61 
    30. 
  
  
  
  
  30. 0xffffcdfc:  0x61  0x61  0x61  0x61  0x61  0x61  0x61  0x00 
    31. 
  
  
  
  
  31. (gdb) x /wx &s16    // 打印變量s16的內(nèi)存地址 
    32. 
  
  
  
  
  32. 0xffffce04:  0x0804fa10 
    33. 
  
  
  
  
  33. (gdb) x /6xw 0xffffce04 // 打印string對(duì)象s16占用的24個(gè)字節(jié)內(nèi)存數(shù)據(jù) 
    34. 
  
  
  
  
  34. 0xffffce04:  0x0804fa10  0x00000010  0x00000010  0x00000001 
    35. 
  
  
  
  
  35. 0xffffce14:  0xffffced4  0xffffcedc 
    36. 
  
  
  
  
  36. (gdb) x /s 0x0804fa10  // string對(duì)象s16的1-4個(gè)字節(jié)是一個(gè)指向字符數(shù)據(jù)的指針 
    37. 
  
  
  
  
  37. 0x804fa10:  'x'  
    38. 
  
  
  
  
  38. (gdb) x /16x 0x0804fa10 
    39. 
  
  
  
  
  39. 0x804fa10:  0x78  0x78  0x78  0x78  0x78  0x78  0x78  0x78 
    40. 
  
  
  
  
  40. 0x804fa18:  0x78  0x78  0x78  0x78  0x78  0x78  0x78  0x78 
    41. 
  
  
  
  
  41. (gdb) c 
    42. 
  
  
  
  
  42. Continuing. 
    43. 
  
  
  
  
  43. [Inferior 1 (process 20982) exited normally] 
    44. 
  
  
  
  
  44. (gdb) q 
    45.

從以上調(diào)試可以看出，string對(duì)象的內(nèi)存結(jié)構(gòu)和以下結(jié)構(gòu)體的非常相似：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. typedef long int u32; 
    2. 
  
  
  
  
  2. struct String 
    3. 
  
  
  
  
  3. { 
    4. 
  
  
  
  
  4.     char *data_ptr; // 指向字符數(shù)組的指針，在32位程序占用4個(gè)字節(jié) 
    5. 
  
  
  
  
  5.     u32 length;     // 字符數(shù)組的長(zhǎng)度，在32位程序占用4個(gè)字節(jié) 
    6. 
  
  
  
  
  6.     char data[16];  // 可以容納15個(gè)字符的數(shù)組，占用16個(gè)字節(jié) 
    7. 
  
  
  
  
  7. }; 
    8.

1.string對(duì)象的1-4個(gè)字節(jié)是一個(gè)指向字符數(shù)據(jù)的指針。

2.string對(duì)象的5-8個(gè)字節(jié)是一個(gè)表示字符數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的整形數(shù)值。

3.string對(duì)象的9-24個(gè)字節(jié)的含義根據(jù)字符數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度發(fā)生變化。

  • 如果string對(duì)象包含的字符數(shù)組長(zhǎng)度小于16，則將字符數(shù)據(jù)保存在string對(duì)象本身所占用的內(nèi)存中;以上述結(jié)構(gòu)體String為例，將字符數(shù)據(jù)保存在data中。
  • s15.data_ptr == &(s15.data[0]);
  • 如果string對(duì)象包含的字符數(shù)組長(zhǎng)度大于等于16，則其字符數(shù)據(jù)位于可執(zhí)行文件的數(shù)據(jù)區(qū)或分配到堆內(nèi)存中，而不是棧內(nèi)存中;以上述結(jié)構(gòu)體String為例，無法將字符數(shù)據(jù)保存在data字段中。

64位可執(zhí)行程序string對(duì)象的內(nèi)存分配

64位程序與32位程序非常相似，只不過64程序中，指針對(duì)象占用8字節(jié)內(nèi)存;通過動(dòng)態(tài)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)內(nèi)存分配與以下結(jié)構(gòu)體非常相似：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. typedef long long int u64; 
    2. 
  
  
  
  
  2. struct String 
    3. 
  
  
  
  
  3. { 
    4. 
  
  
  
  
  4.     char *data_ptr; // 指向字符數(shù)組的指針，在64位機(jī)器占用8個(gè)字節(jié) 
    5. 
  
  
  
  
  5.     u64 length;     // 字符數(shù)組的長(zhǎng)度，在64位機(jī)器占用8個(gè)字節(jié) 
    6. 
  
  
  
  
  6.     char data[16];  // 可以容納15個(gè)字符的數(shù)組，占用16個(gè)字節(jié) 
    7. 
  
  
  
  
  7. }; 
    8.

以上內(nèi)容是兩年多前的學(xué)習(xí)筆記，最近在以下環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，得到的結(jié)論與上述內(nèi)容一致。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. 操作系統(tǒng)：Ubuntu 20.04。 
    2. 
  
  
  
  
  2. 調(diào)試軟件：GNU gdb (Ubuntu 9.2-0ubuntu1~20.04) 9.2。 
    3. 
  
  
  
  
  3. 編譯工具：g++ (Ubuntu 9.3.0-17ubuntu1~20.04) 9.3.0。 
    4.

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