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簡介

std::string 作為 C++ 程式入門最基本的函示庫相信大家都用的很熟了，說到如何把字串傳入其他函數，一般來說常見作法就是 const std::string & 亦或是 const char *，也就是傳址輸入的概念，傳入參考（reference）或是指標（pointer）所以不需要做記憶體的複製。

舉例來說，以下程式法就非常常見：

#include <string>
#include <iostream>

void print(const std::string &input) {
    std::cout << input << std::endl;
}

int main() {
    std::string message("hello world");
    print(message);
}

而從 C++17 標準之後，我們有新的選擇——std::string_view，View（視圖）在軟體工程上他的概念是「開發人員以不同的視角或方式來查看和存取相同數據陣列（Array）」，意思是 View 提供了一種輕量的抽象介面，讓開發者以不同的方式操作和處理陣列數據，而無需複製或重新排列數據。這種機制可以在不佔用額外記憶體的情況下，對陣列進行切片、重塑、重新排序、重映射等操作，這樣我們可以避免不必要的物件建立或是記憶體操作。所以不管是 Array View 或是 String View（底層還是陣列），概念其實就是用輕量的操作去存取裡面內部的元素，舉例來說我們可以在 Python 的 NumPy 庫、C++ 的 Eigen 庫中看見這個概念。

現在我們稍微改一下前面的程式碼：

#include <string>
#include <iostream>
#include <string_view> // 記得要引入函示庫

void print(std::string_view input) {
    std::cout << input << std::endl;
}

int main() {
    std::string message("hello world");
    print(std::string_view(message));
}

接著來解釋為啥這樣做會比較好。

std::string_view 優點

使用 std::string_view 有以下好處：

  • 輕量、低開銷：使用 string_view 可以對原始字串做任意建立、複製、傳遞操作，都不會對原始的記憶體資料作任何拷貝，反之如果用一般的 string 做複製的話成本就會很高
  • 相容 std::string 的函數：我們平常對 string 做的函數操作幾乎都支持，比方說 Iterator、cout 輸出、substr、find 等等。
  • 更加安全：string_view 永遠不會有所有權，當你使用 string_view 的時候可以大膽的刪除他。
  • 更高的彈性：使用 string_view 的時候對不同型態的字串物件會有更高的相容性，例如你可以傳入 std::wstring 或 winrt::hstring 而不會導致錯誤發生，但 const std::string & 你可能型別上就直接編譯不過。
  • 更快速的字串操作：我們鮮少對 std::string 做 substr 因為這樣會產生新的 string 物件，成本極高。但用 std::string_view 我們可以用 substr 且速度依舊很快。根據我的實驗兩者速度可以差到 17 倍之多。另外 string_view 可以做前綴後綴的操作，當傳入 const std::string & 的時候我們則無法辦到。
  • 更現代：擺脫使用 const std::string & 或 const char *，雖然舊方法的效能和新方法一樣，但我們已經提出了不少好處了

std::string_view 範例

substr 子字串

前面提到，std::string::substr 和 std::string_view::substr 兩者效能差很大，實驗 string 呼叫 substr 會慢 string_view 17 倍，理由也簡單，string 的 substr 會再產生一個新的 string。

注意 substr 用法是 substr(start, length)，不是給頭跟尾喔！

那使用 string 的時候不想使用 substr 來做子字串比對怎麼辦呢？你可以自己操作 string 底層的記憶體，只是就不是很方便。

void print1(const std::string &input) {
    if(input.substr(0,3) == "123") { // 這個情況下子字串是 std::string
      // ...
    }
}

void print2(std::string_view input) {
    if(input.substr(0,3) == "123") { // 這個情況下子字串是 std::string_view
      // ...
    }
}

移除前綴＆後綴的操作

前綴（prefix）與後綴（suffix）的操作也很常見，例如我們想要移除一個檔案的前面的路徑，以及後面的副檔名。

方法一：

// g++ test.cpp -std=c++17; ./a.out 
#include <iostream>
#include <string_view>

int main()
{
    std::string_view path("my_folder/log.txt");

    size_t pos1 = path.find('/');
    path.remove_prefix(pos1 + 1);
    size_t pos2 = path.rfind('.');
    path.remove_suffix(path.size() - pos2);

    std::cout << pos1 << ", " << pos2 << ": " << path << std::endl; // 9, 13: log
}

方法二：

// g++ test.cpp -std=c++17; ./a.out 
#include <iostream>
#include <string_view>

int main()
{
    std::string_view path("my_folder/log.txt");

    size_t pos1 = path.find('/');
    size_t pos2 = path.rfind('.');
    std::string_view new_path = path.substr(pos1 + 1, path.size() - pos2 - 1);

    std::cout << pos1 << ", " << pos2 << ": " << new_path; // 9, 13: log
}

這邊給了兩個範例，上面使用 remove_prefix 和 remove_suffix 做範例，注意使用這兩個函數會對「原本」的 string_view 物件做修改。下面範例示範了如何用 substr 達到一樣的效果。

從頭到尾我們沒用到任何字串複製，全程就是只有 string_view，並且這樣的操作又非常的「高階」，在沒有 string_view 的幫助下，我們想要不建立物件或拷貝記憶體來讓 cout 印出東西就不可能這麼優雅。

結論

總的來說，使用 std::string_view 主要是為了提高效能和節省資源。由於它僅僅是持有指向現有字串的指標和長度，不需要進行新的記憶體配置或字串複製，因此建立速度快且佔用的記憶體較少。同時，std::string_view 提供了一個輕量級的、唯讀 View，方便對大型字串進行高效的存取。這使得它成為處理字串引用或在函數參數傳遞時的理想選擇。

然而，使用 const std::string & 也有其獨特的用途，特別是當需要修改字串或使用 std::string 特有的功能時。在這種情況下，std::string_view 是無法滿足需求的，因為它僅提供了只讀的視圖。另外如果要把字串傳入其他函示庫的 API 的時候，如果 API 指定要傳入 const std::string &，我們也無法傳入 string_view。

當我們要做字串操作的時候，除非我們要對 std::string 進行操作，或是需要產生新的所有權，不然我們應該盡可能使用 std::string_view。

參考資料