第四章:优化字符串的使用：案例研究_《C++性能优化指南》notes

郭涤生2025-03-27 16:56

优化字符串的使用：案例研究

第四章重难点解析与代码实战

1. 原版问题代码分析
代码清单4-1 ：未优化的remove_ctrl()函数：

cpp 复制代码 
#include <string>

std::string remove_ctrl(std::string s) {
    std::string result;
    for (int i = 0; i < s.length(); ++i) {
        if (s[i] >= 0x20)
            result = result + s[i]; // 频繁创建临时字符串
    }
    return result;
}

问题分析：

  • result = result + s[i]每次循环都会生成临时字符串，触发内存分配和复制。
  • 参数s按值传递，导致不必要的复制。
  • 未预分配内存，导致多次扩容。

2. 优化1：使用复合赋值+=
优化点 ：用+=代替+，避免临时字符串。

cpp 复制代码 
std::string remove_ctrl_mutating(std::string s) {
    std::string result;
    for (int i = 0; i < s.length(); ++i) {
        if (s[i] >= 0x20)
            result += s[i]; // 原地修改，无临时对象
    }
    return result;
}

测试用例：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <chrono>

int main() {
    std::string test_str = "Hello\x07World\x1F!"; // 含控制字符
    auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    std::string filtered = remove_ctrl_mutating(test_str);
    auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    std::cout << "Filtered: " << filtered << "\nTime: " 
              << std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(end - start).count()
              << " us" << std::endl;
    return 0;
}

输出：

复制代码 
Filtered: HelloWorld!
Time: 2 us (示例值，实际取决于环境)

3. 优化2：预分配内存reserve()
优化点：预分配足够内存，减少扩容次数。

cpp 复制代码 
std::string remove_ctrl_reserve(std::string s) {
    std::string result;
    result.reserve(s.length()); // 预分配内存
    for (int i = 0; i < s.length(); ++i) {
        if (s[i] >= 0x20)
            result += s[i];
    }
    return result;
}

测试方法：同上，对比时间减少。

4. 优化3：传递常量引用
优化点 ：参数改为const&，避免复制。

cpp 复制代码 
std::string remove_ctrl_ref(const std::string& s) {
    std::string result;
    result.reserve(s.length());
    for (int i = 0; i < s.length(); ++i) {
        if (s[i] >= 0x20)
            result += s[i];
    }
    return result;
}

5. 优化4：消除返回值的复制（C++11移动语义）
优化点：利用返回值优化（RVO）或移动语义。

cpp 复制代码 
std::string remove_ctrl_move(std::string s) {
    std::string result;
    result.reserve(s.length());
    for (char c : s) { // 范围for循环
        if (c >= 0x20)
            result += c;
    }
    return result; // 编译器自动应用移动语义
}

6. 优化5：使用迭代器避免索引开销
优化点：用迭代器代替下标访问。

cpp 复制代码 
std::string remove_ctrl_iter(const std::string& s) {
    std::string result;
    result.reserve(s.size());
    for (auto it = s.begin(); it != s.end(); ++it) {
        if (*it >= 0x20)
            result += *it;
    }
    return result;
}

7. 终极优化：字符数组代替std::string
优化点：完全避免动态内存，使用C风格数组。

cpp 复制代码 
#include <cstring>

void remove_ctrl_cstyle(char* dest, const char* src, size_t size) {
    for (size_t i = 0; i < size; ++i) {
        if (src[i] >= 0x20)
            *dest++ = src[i];
    }
    *dest = '\0';
}

// 测试用例：
int main() {
    const char* test_str = "Hello\x07World!";
    char buffer[256];
    remove_ctrl_cstyle(buffer, test_str, strlen(test_str));
    std::cout << "C-Style Result: " << buffer << std::endl;
    return 0;
}

关键知识点总结

  1. 临时对象与内存分配：

    • operator+生成临时对象，触发多次内存分配/释放。
    • operator+=原地修改，避免临时对象。

  2. 预分配内存reserve()：

    • 减少std::string扩容次数，提升缓存局部性。

  3. 参数传递优化：

    • 优先使用const&传递大对象，避免复制。

  4. 移动语义（C++11）：

    • 右值引用允许"窃取"资源，避免深拷贝。

  5. 迭代器与下标访问：

    • 迭代器可能更高效（取决于实现），避免边界检查。

  6. C风格数组的取舍：

    • 无动态内存开销，但需手动管理内存，易出错。

编译与测试

所有代码均可编译运行，建议使用以下命令：

bash 复制代码 
g++ -std=c++11 -O2 test.cpp -o test && ./test
  • -O2启用编译器优化，更接近真实性能。
  • 替换不同优化版本的函数，观察时间差异。

多选题

题目1：关于std::string动态分配的说法正确的是？

A. 字符串每次append操作都会触发内存重新分配

B. reserve()可以消除多次小规模追加导致的内存重新分配

C. 写时复制(COW)在C++11后仍然是符合标准的实现方式

D. capacity()返回当前分配的实际内存空间大小

题目2：以下哪些操作可能触发字符串内存重新分配？

A. 使用operator[]修改非const字符串的字符

B. 调用append()且长度超过当前capacity

C. 调用shrink_to_fit()后立即push_back

D. 对空字符串调用reserve(100)

题目3：关于字符串复制的优化，正确的是？

A. 传值参数应改为const引用避免复制

B. C++11中返回值优化(RVO)可以消除临时对象

C. 移动构造函数比写时复制更适合现代C++

D. 所有返回字符串的函数都应使用std::move

题目4：优化字符串拼接的正确方式包括？

A. 使用+=代替+操作符链式拼接

B. 预先调用reserve()分配足够空间

C. 使用stringstream进行格式化拼接

D. 将多次小拼接合并为一次大块操作

题目5：关于移动语义的说法正确的是？

A. std::move强制将左值转为右值引用

B. 移动后的源字符串变为空字符串

C. 移动构造函数可以避免深拷贝

D. 所有临时对象都会自动启用移动语义

题目6：以下代码存在哪些性能问题？

cpp 复制代码 
std::string process(const std::string& input) {
    std::string result;
    for (char c : input) {
        if (is_valid(c)) 
            result = result + c; // 此处拼接
    }
    return result;
}

A. 多次内存重新分配

B. 应该使用+=代替+

C. 缺少reserve预分配

D. 应该使用emplace_back

题目7：关于写时复制(COW)错误的是？

A. 多线程环境下需要原子操作维护引用计数

B. C++11标准明确禁止COW实现

C. 任何修改操作都会导致深拷贝

D. 适合高频读取、低频修改的场景

题目8：优化字符串查找替换的方法包括？

A. 原地修改减少临时对象

B. 使用boyer-moore等高效算法

C. 预先计算所有匹配位置再批量处理

D. 每次匹配后立即修改字符串

题目9：关于字符数组优化的正确说法是？

A. 栈分配比堆分配访问更快

B. 固定大小数组可能造成缓冲区溢出

C. 适用于已知最大长度的场景

D. 比std::string更适合动态内容

题目10：以下哪些情况适合使用移动语义？

A. 返回函数内部的局部字符串

B. 将临时字符串传递给另一个函数

C. 需要保留源字符串内容的场景

D. 在容器中插入大量字符串元素

多选题答案与解析

题目1答案：BD

B正确：reserve预分配可以避免多次扩容

D正确：capacity返回实际分配空间

A错误：只有超过capacity才会重新分配

C错误：C++11后COW不符合标准

题目2答案：BC

B正确：超过容量触发重新分配

C正确：shrink后capacity可能等于size，push_back需要扩容

A错误：非const访问不一定触发（依赖实现）

D错误：reserve(100)对空字符串直接分配

题目3答案：ABC

A正确：const引用避免复制

B正确：RVO优化消除临时对象

C正确：移动语义优于COW

D错误：RVO已经足够，强制move可能适得其反

题目4答案：ABD

A正确：+=减少临时对象

B正确：预分配提升效率

D正确：合并减少操作次数

C错误：stringstream有额外开销

题目5答案：AC

A正确：move语义转换

C正确：移动避免深拷贝

B错误：源对象状态由实现决定

D错误：需要满足移动条件

题目6答案：ABC

A正确：每次+都生成临时对象导致多次分配

B正确：+=就地修改

C正确：未预分配导致多次扩容

D错误：字符串没有emplace_back

题目7答案：BC

B正确：C++11禁止COW（因多线程问题）

C错误：只有共享时修改才触发深拷贝

其他选项正确

题目8答案：ABC

A正确：减少中间对象

B正确：高效算法降低复杂度

C正确：批量处理减少操作次数

D错误：频繁修改可能导致多次重新分配

题目9答案：ABC

A正确：栈内存访问更快

B正确：固定数组有溢出风险

C正确：已知最大长度适用

D错误：动态内容适合string

题目10答案：ABD

A正确：RVO+移动优化

B正确：临时对象自动移动

D正确：容器插入时移动提升性能

C错误：需要保留内容时不能移动

设计题

题目1：实现高效字符串过滤函数

要求：

  1. 过滤掉所有非字母数字字符
  2. 使用预分配和移动语义优化
  3. 支持链式调用（如filter(str1).append(str2)）
  4. 提供性能测试用例

示例代码：

cpp 复制代码 
class StringFilter {
public:
    StringFilter& process(const std::string& input) {
        result.reserve(result.size() + input.size());
        for (char c : input) {
            if (isalnum(c)) result.push_back(c);
        }
        return *this;
    }
    
    std::string&& getResult() { return std::move(result); }
    
private:
    std::string result;
};

// 测试用例
int main() {
    std::string test = "Hello! 123_World";
    auto filtered = StringFilter().process(test).getResult();
    std::cout << filtered; // 输出Hello123World
    return 0;
}

题目2：优化字符串替换算法

要求：

  1. 实现将字符串中所有"bad"替换为"good"
  2. 原地修改（避免创建新字符串）
  3. 处理多次替换时的内存扩展问题
  4. 比较与标准replace方法的性能差异

关键代码段：

cpp 复制代码 
void replace_inplace(std::string& s, const std::string& from, const std::string& to) {
    size_t pos = 0;
    while ((pos = s.find(from, pos)) != std::string::npos) {
        s.replace(pos, from.size(), to);
        pos += to.size();
    }
}

// 性能测试
std::string longStr(100000, 'a'); 
longStr += "bad"; 
replace_inplace(longStr, "bad", "good");

题目3：实现内存池字符串类

要求：

  1. 基于内存池分配小块字符缓冲区
  2. 支持常用操作（append, replace等）
  3. 与std::string进行性能对比
  4. 处理不同长度字符串的分配策略

内存池设计片段：

cpp 复制代码 
class PooledString {
public:
    PooledString() { 
        buffer = pool.allocate(INIT_SIZE); 
        len = 0; 
        capacity = INIT_SIZE;
    }
    
    void append(char c) {
        if (len >= capacity) {
            expand_buffer();
        }
        buffer[len++] = c;
    }
    
private:
    static constexpr size_t INIT_SIZE = 64;
    static MemoryPool pool; // 自定义内存池
    char* buffer;
    size_t len, capacity;
};

题目4：设计零拷贝字符串视图

要求：

  1. 实现类似string_view的只读视图
  2. 支持子串操作不复制内存
  3. 避免悬挂指针问题
  4. 提供与原字符串的性能对比测试

视图类示例：

cpp 复制代码 
class SafeStringView {
public:
    SafeStringView(const std::string& s) 
        : ptr(s.data()), len(s.size()), owner(&s) {}
        
    SafeStringView substr(size_t start, size_t count) {
        return { ptr + start, std::min(count, len - start), owner };
    }
    
private:
    const char* ptr;
    size_t len;
    const std::string* owner; // 通过owner检测有效性
};

题目5：并行字符串处理框架

要求：

  1. 将大字符串分割后多线程处理
  2. 合并结果时避免数据竞争
  3. 测试不同线程数的加速比
  4. 处理边界条件（如跨分块的单词）

并行处理示例：

cpp 复制代码 
void parallel_process(const std::string& input) {
    const size_t numThreads = 4;
    std::vector<std::future<void>> futures;
    size_t chunkSize = input.size() / numThreads;
    
    for (size_t i=0; i<numThreads; ++i) {
        size_t start = i * chunkSize;
        size_t end = (i == numThreads-1) ? input.size() : start+chunkSize;
        futures.push_back(std::async([&, start, end] {
            process_chunk(input, start, end);
        }));
    }
    
    for (auto& f : futures) f.wait();
}

设计题答案与解析

题目1解析：

  • 使用类封装过滤过程，通过reserve预分配减少内存分配次数
  • getResult()返回右值引用，启用移动语义避免最终复制
  • 链式调用允许连续处理多个输入字符串
  • 测试用例验证过滤逻辑正确性和性能提升

题目2解析：

  • 原地修改减少临时字符串创建
  • 需要处理替换后字符串变长的情况（replace自动处理内存）
  • 性能测试应对比标准实现，使用长字符串测试扩容次数差异

题目3解析：

  • 内存池分配固定大小块，减少new/delete开销
  • 小字符串使用栈分配，大字符串使用池化内存
  • 对比std::string在频繁修改场景下的性能差异

题目4解析：

  • 通过保存原字符串指针检测视图有效性
  • 子串操作仅调整指针和长度，无内存复制
  • 性能测试比较视图操作与原字符串复制的耗时差异

题目5解析：

  • 分割时注意边界处理，避免切割单词
  • 使用线程局部存储或互斥锁处理共享数据
  • 测试不同线程数下的加速比，分析并行化效率
相关推荐
慵懒学者几秒前
16 Junit单元测试框架、反射、注解、动态代理（黑马Java视频笔记）
java·笔记·junit·单元测试
程序员的世界你不懂2 分钟前
Tomcat生产服务器性能优化
服务器·性能优化·tomcat
_丿丨丨_12 分钟前
PHP回调后门小总结
android·开发语言·php
想做富婆18 分钟前
Strawberry perl的下载,查询版本号,配置Path环境变量,查找perl解释器的位置
开发语言·perl
李是啥也不会23 分钟前
如何通过JavaScript实现点击播放音频
开发语言·javascript·音视频
Q186000000001 小时前
springboot 四层架构之间的关系整理笔记二
spring boot·笔记·架构
程序员老冯头1 小时前
第十一节 MATLAB关系运算符
开发语言·前端·数据结构·算法·matlab
2401_884810741 小时前
Spring-MVC笔记（下）
笔记·spring·mvc
19岁开始学习1 小时前
PHP之RabbitMQ笔记
笔记·rabbitmq·php
situnima1 小时前
Python包管理完全指南：pip常用命令与最佳实践
开发语言·python·pip
热门推荐
01RAG生成中的多文档动态融合及去重加权策略探讨02RAG 实践- Ollama+RagFlow 部署本地知识库03DeepSeek各版本说明与优缺点分析04PyTorch量化技术教程：第四章 PyTorch在量化交易中的应用05本地化部署AI知识库：基于Ollama+DeepSeek+AnythingLLM保姆级教程06从零安装 LLaMA-Factory 微调 Qwen 大模型成功及所有的坑07苍穹外卖面试总结08DeepSeek R1本地化部署 Ollama + Chatbox 打造最强 AI 工具09如何在WPS和Word/Excel中直接使用DeepSeek功能10山东大学机试试题合集