哈喽，各位好！今天咱们来聊聊C++里两个“零拷贝”的家伙：std::string_view和std::span。 别看它们名字挺唬人，其实用起来相当简单，而且在性能优化方面能帮上大忙。
开场白：拷贝的代价
在深入这两个“零拷贝”神器之前，咱们先得明白拷贝操作有多费劲。 想象一下，你要把一份500页的报告复印给办公室里的每个人。 如果你用传统的方法，那就是一份一份地复印，累死个人不说，还浪费纸张和时间。 这就是传统的拷贝，数据量越大，代价越高。
在C++里，当我们把一个std::string或者std::vector赋值给另一个变量时，默认情况下，编译器会创建一个新的对象，并将原始对象的内容完整地复制到新对象中。 这意味着要分配新的内存，然后把数据从一个地方搬到另一个地方。 对于大型字符串或者容器，这个过程可能会很耗时，占用大量的内存。
std::string_view: 字符串的“只读窗口”
std::string_view（C++17引入）就像一个字符串的“只读窗口”。 它不拥有字符串的数据，只是引用现有的字符串。这意味着，当你创建一个string_view时，不会发生任何内存分配或数据拷贝。它只是记录了原始字符串的起始位置和长度。
工作原理：
string_view存储了指向字符串数据的指针和一个长度值。- 当使用
string_view时，你实际上是在操作原始字符串数据的一个视图。 - 修改
string_view不会修改原始字符串（因为它只读）。
代码示例：
#include <iostream>
#include <string>
#include <string_view>
int main() {
std::string message = "Hello, world!";
std::string_view view = message; // 创建string_view，不拷贝数据
std::cout << "Original string: " << message << std::endl;
std::cout << "String view: " << view << std::endl;
std::cout << "String view length: " << view.length() << std::endl;
// view[0] = 'J'; // 错误！ string_view是只读的
message[0] = 'J'; // 修改原始字符串
std::cout << "Original string after modification: " << message << std::endl; // "Jello, world!"
std::cout << "String view after modification: " << view << std::endl; // "Jello, world!" view也改变了，因为它指向原始数据
return 0;
}注意事项：
- 生命周期管理：
string_view依赖于原始字符串的存在。如果原始字符串被销毁，string_view就会变成一个“悬挂指针”，访问它会导致未定义行为。所以，要确保string_view的生命周期短于或等于其引用的字符串。 - 只读性：
string_view是只读的。你不能通过string_view来修改原始字符串的内容。 - *与`const char
的区别：**string_view比const char*更安全，因为它显式地记录了字符串的长度，避免了缓冲区溢出的风险。而且，string_view更容易与std::string`交互。
应用场景：
- 函数参数传递： 避免不必要的字符串拷贝，提高函数性能。
- 字符串解析： 在解析大型字符串时，使用
string_view可以避免重复拷贝子字符串。 - 配置文件读取： 从文件中读取配置信息时，使用
string_view可以高效地处理字符串数据。
举个栗子：函数参数传递
#include <iostream>
#include <string>
#include <string_view>
// 使用 string_view 作为参数，避免字符串拷贝
void printMessage(std::string_view message) {
std::cout << "Message: " << message << std::endl;
}
int main() {
std::string myMessage = "This is a long message.";
printMessage(myMessage); // 传递 std::string
printMessage("Hello, string_view!"); // 传递 C风格字符串字面量
return 0;
}在这个例子中，printMessage函数接受一个string_view作为参数。无论是传递std::string还是C风格字符串字面量，都不会发生字符串拷贝。这对于频繁调用的函数来说，可以显著提高性能。
std::span: 连续内存区域的“窗口”
std::span（C++20引入）类似于string_view，但它适用于任何连续的内存区域，而不仅仅是字符串。 它可以看作是数组、std::vector或其他连续内存块的“视图”。 同样，span也不拥有数据，只是引用现有的内存区域。
工作原理：
span存储了指向内存区域起始位置的指针和一个长度值。- 可以使用
span来访问和操作内存区域中的元素。 span可以是只读的，也可以是可写的（取决于其构造方式和模板参数）。
代码示例：
#include <iostream>
#include <vector>
#include <span>
int main() {
std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
std::span<int> span_numbers(numbers); // 创建 span，引用 vector 的数据
std::cout << "Span size: " << span_numbers.size() << std::endl;
std::cout << "First element: " << span_numbers[0] << std::endl;
span_numbers[0] = 10; // 修改原始 vector 中的数据
std::cout << "Original vector after modification: ";
for (int num : numbers) {
std::cout << num << " ";
}
std::cout << std::endl;
// 创建一个只读的 span
const std::vector<int> const_numbers = {6, 7, 8, 9, 10};
std::span<const int> const_span(const_numbers);
// const_span[0] = 11; // 错误！ 只读 span 不能修改数据
return 0;
}注意事项：
- 生命周期管理： 和
string_view一样，span也依赖于原始内存区域的存在。要确保span的生命周期短于或等于其引用的内存区域。 - 可变性：
span可以是可变的，也可以是只读的。 可变span允许修改原始内存区域中的数据，而只读span则不允许。 使用std::span<const int>可以创建只读的span. - 类型安全：
span是类型安全的。编译器会检查span的类型是否与原始内存区域的类型匹配。
应用场景：
- 处理数组： 方便地操作数组，无需传递数组的大小。
- 算法实现： 在算法中，使用
span可以避免不必要的容器拷贝，提高算法效率。 - 库接口设计： 使用
span作为函数参数，可以接受不同类型的连续内存区域作为输入，提高库的通用性。
举个栗子：使用 span 操作数组
#include <iostream>
#include <span>
// 使用 span 对数组中的元素求和
int sumArray(std::span<int> arr) {
int sum = 0;
for (int num : arr) {
sum += num;
}
return sum;
}
int main() {
int myArray[] = {1, 2, 3, 4, 5};
std::span<int> mySpan(myArray); // 创建 span
int sum = sumArray(mySpan);
std::cout << "Sum of array elements: " << sum << std::endl;
return 0;
}在这个例子中，sumArray函数接受一个span作为参数，可以计算任何int类型数组的元素之和。无需传递数组的大小，span已经包含了这些信息。
string_view vs span：区别与联系
| 特性 | std::string_view |
std::span |
|---|---|---|
| 适用范围 | 字符串 | 任何连续内存区域（数组、std::vector等） |
| 包含头文件 | <string_view> |
<span> |
| 引入版本 | C++17 | C++20 |
| 本质 | 字符串的只读视图 | 连续内存区域的视图 |
| 修改原始数据 | 不允许 | 允许（如果不是std::span<const T>） |
| 主要用途 | 高效地处理字符串，避免字符串拷贝 | 高效地处理连续内存区域，避免容器拷贝 |
| 共同点 | 都是非拥有型视图，不拥有数据，依赖于原始数据的存在 | 都是非拥有型视图，不拥有数据，依赖于原始数据的存在 |
| 零拷贝特性 | 零拷贝特性 |
总结：
std::string_view和std::span都是C++中非常有用的工具，它们提供了零拷贝的视图，可以有效地提高程序的性能，尤其是在处理大型字符串和容器时。
- 使用
string_view来避免字符串拷贝，特别是在函数参数传递和字符串解析等场景中。 - 使用
span来操作连续的内存区域，例如数组和std::vector，可以提高算法效率和库的通用性。 - 在使用这两个工具时，一定要注意生命周期管理，确保视图的生命周期短于或等于其引用的原始数据。
掌握了这两个“零拷贝”神器，你的C++代码就能像火箭一样，嗖嗖嗖地快起来！ 记住，好的代码不仅要能跑，还要跑得快！
希望今天的分享对你有所帮助！ 谢谢大家！