String 学习总结

1. 存储机制

• 短字符串优化（SSO, Small String Optimization）
  现代标准库中的字符串实现普遍采用 SSO 技术，将长度较短（例如 ≤15 字节）的字符串数据直接存储在字符串对象内部的固定缓冲区（栈上）。这样避免了频繁的堆内存分配，提高性能。

• 堆内存存储
  当字符串长度超过内部缓冲区容量时，字符串数据会存储在堆上，通过指针引用。此时，字符串对象内保存的是指向堆内存的指针、当前长度和容量等元信息。

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2. 重要属性

属性	说明
size/length	当前字符串实际使用的字符数
capacity	当前分配的最大存储字符数（通常 ≥ size）
buffer	指向字符串数据的指针，或者内部缓冲区（SSO时）
null terminator	C风格字符串中，以 '\0' 作为结束标志，std::string 内部通常会保证有一个多余空间存储该字符

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3. 内存管理与容量策略

• capacity 分配原则
  容量通常会大于当前字符串长度，目的是减少频繁的内存重新分配，提高追加操作效率。
  常见扩容策略：

  • 按固定比例扩容（如1.5倍、2倍）
  • 扩容到下一个合适的大小（例如2的幂次方）

• 分配大小
  一般分配空间为 capacity + 1，多出的一字节用于存放 '\0'，确保兼容 C 风格字符串操作。

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4. 拷贝与赋值机制

4.1 深拷贝（Deep Copy）

• 每次拷贝都会分配新的内存，并复制字符串内容，保证拷贝对象独立，安全但性能开销大。
• 适用于早期设计和多线程环境。

4.2 共享内存 + 写时复制（Copy-On-Write, COW）

• 多个字符串对象共享同一块数据内存。只有在某个对象试图修改数据时，才真正进行内存拷贝。
• 可以减少内存使用，提升性能。
• 缺点：需要维护引用计数，存在多线程安全风险。
• 目前 C++11 及以后版本的标准库大多数已经废弃了 COW 机制，转为更简单且线程安全的设计。

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5. 其他核心特性

5.1 移动语义支持（C++11 及以后）

• 移动构造函数和移动赋值运算符，允许字符串的资源（内存指针）从一个对象转移到另一个对象，避免内存拷贝，显著提升性能。

5.2 不可变性 vs 可变性

• C++ std::string 是可变的，允许修改字符串内容。
• Java String 是不可变的，一旦创建，字符串内容不可更改，所有修改操作都会返回新的字符串对象。
• 不同的设计影响内存管理和实现方式。

5.3 编码与字符宽度

• std::string 本质是字节序列，默认按 ASCII 或 UTF-8 存储，字符数量和字节数不一定相等。
• Unicode 相关的字符串类（如 std::u16string, std::wstring）处理多字节或宽字符，存储和访问更复杂。

5.4 线程安全

• 标准库的字符串操作在多线程环境中通常不是完全线程安全的。
• 多线程共享字符串时，需额外同步机制。

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6. 常见面试问点总结

• 你知道什么是 Small String Optimization 吗？它解决了什么问题？
• 深拷贝和写时复制有什么区别？为什么现代库一般弃用写时复制？
• 字符串的容量和长度有什么区别？为什么需要容量？
• 讲讲 C++11 以后字符串的移动语义带来了哪些性能提升？
• 字符串为什么需要以 ‘\0’ 结尾？是不是所有字符串都必须？
• 如何避免字符串频繁的内存分配？
• 你知道不同语言的字符串实现有什么不同吗？（可变 vs 不可变）
• 多线程环境下字符串操作有哪些注意点？