为什么字符串指针不指向第一个地址？

Question

我试图了解字符串指针是如何工作的（std::string*）。
我创建了一个指向字符串的字符指针数组。出于某种原因，字符串指针指向一个地址，该地址比第一个字符的地址早 4 个地址，但是当我尊重它时它仍然打印正确的字符串（我猜它被编程为打印从它到 null0 的 4 个地址），但是为什么？为什么后面有4个地址，为什么不从第一个字符开始呢？

int main() {
    std::string x = "hello";
    char* ptrs[6];
    for (int i = 0; i <= x.length(); i++) {
        ptrs[i] = &x[i];
        std::cout << (void*)ptrs[i] << "  " << *ptrs[i] << "\n";
    }
    std::string* y = &x;
    std::cout << "\n" << y << "\n";
    std::cout << *y << "\n";
    std::cout << (char*)y;
    return 0;
}

输出：

0115F9A4  h
0115F9A5  e
0115F9A6  l
0115F9A7  l
0115F9A8  o
0115F9A9

0115F9A0
hello
ȉ2hello

Answer 1

std::string 类的实现通常使用小对象优化。这意味着std::string 类型的对象不必为存储的字符串动态分配内存。也就是说，在std::string 类型的对象中，保留了一些小范围的内存，如果字符串不大于内存范围的大小，则可以在其中存储字符串。

考虑以下演示程序。

#include <iostream>
#include <string>

int main() 
{
    std::string s;

    for ( size_t i = 0; i < 20; i++ )
    {
        s += 'A';
        std::cout << i << ": " << &s << " -> " << ( void * )&s[0] << '\n';
    }

    return 0;
}

它的输出可能看起来像

sizeof( s ) = 32
0: 0x7ffe94e82100 -> 0x7ffe94e82110
1: 0x7ffe94e82100 -> 0x7ffe94e82110
2: 0x7ffe94e82100 -> 0x7ffe94e82110
3: 0x7ffe94e82100 -> 0x7ffe94e82110
4: 0x7ffe94e82100 -> 0x7ffe94e82110
5: 0x7ffe94e82100 -> 0x7ffe94e82110
6: 0x7ffe94e82100 -> 0x7ffe94e82110
7: 0x7ffe94e82100 -> 0x7ffe94e82110
8: 0x7ffe94e82100 -> 0x7ffe94e82110
9: 0x7ffe94e82100 -> 0x7ffe94e82110
10: 0x7ffe94e82100 -> 0x7ffe94e82110
11: 0x7ffe94e82100 -> 0x7ffe94e82110
12: 0x7ffe94e82100 -> 0x7ffe94e82110
13: 0x7ffe94e82100 -> 0x7ffe94e82110
14: 0x7ffe94e82100 -> 0x7ffe94e82110
15: 0x7ffe94e82100 -> 0x55ff0bc85e80
16: 0x7ffe94e82100 -> 0x55ff0bc85e80
17: 0x7ffe94e82100 -> 0x55ff0bc85e80
18: 0x7ffe94e82100 -> 0x55ff0bc85e80
19: 0x7ffe94e82100 -> 0x55ff0bc85e80

从程序的输出可以看出std::string 类型的对象的大小等于32。它不依赖于存储字符串的大小。

从输出也可以看出，存储字符串的地址总是等于0x7ffe94e82110，直到字符串的大小大于15。并且这个地址大于对象的起始位置的地址通过 0x10。也就是说，此地址在为std::string 类型的对象分配的内存范围内。

因此长度小于 16 的字符串存储在对象本身中。对于长度大于 15 的字符串，对象会动态分配内存。在这种情况下，std::string 类型的对象本身的大小不会改变。它只是有一个指针作为它的数据成员，指向分配的内存。

至于你问题中的这段代码sn-p

std::string* y = &x;
std::cout << "\n" << y << "\n";
std::cout << *y << "\n";

然后在这个语句中

std::cout << "\n" << y << "\n";

正在输出std::string本身类型的对象的地址。

在此声明中

std::cout << *y << "\n";

由于表达式*y 给出了std::string 类型的对象，并且对于std::string 类型的此类对象，定义了operator <<，其输出存储在对象字符串。

至于这个说法

std::cout << (char*)y;

那么一般来说它没有意义，因为它试图将std::string 类型的对象的数据成员输出为包含字符串的字符数组。它会导致未定义的行为。

Answer 2

考虑std::string 容器的这个非常简单的表示

#include <cstring>
#include <iostream>

struct StringContainer{
    explicit StringContainer(const char* str) {
        len_ = strlen(str);
        data_ = (char*)malloc(len_);
        for(int i = 0; i <len_; ++i){
            data_[i] = str[i];
        }
    }
    const char& operator[](size_t idx) {
        static char nullChar = '\0';
        return (idx < len_) ? data_[idx]: nullChar;
    }

    ~StringContainer() {
        if(data_){
            free(data_);
        }
    }

    size_t length() const {
        return len_;
    }
    private:
    char* data_;
    size_t len_;
};

int main() {
    StringContainer str("test");
    std::cout<<"Address of str: "<<std::hex<<(void*)&str<<'\n';
    for(int i = 0; i < str.length(); ++i) {
        std::cout<<"Address of "<<str[i]<<": "<<std::hex<<(void*)&str[i]<<'\n';
    }
}

Output:

Address of str: 0x7ffd85ed1108
Address of t: 0x1865eb0
Address of e: 0x1865eb1
Address of s: 0x1865eb2
Address of t: 0x1865eb3

容器（示例中为std::string 或StringContainer）是与其数据分离的实体。因此不同的地址。在此示例中，(void*)&str 给出了封装实际字符串数据的容器对象的地址。 &str[i] 给出了 actual 字符串数据的地址。使用std::string，如下所示：

#include <string>
#include <iostream>

int main() {
    std::string str("test");
    std::cout<<"Address of str is "<<std::hex<<(void*)&str<<'\n';
    for(char& a: str){
        std::cout<<"Address of "<<a<<" is "<<std::hex<<(void*)&a<<'\n';
    }
    std::cout<<"Address of the data of str is "<<(void*)str.c_str()<<'\n';
}

Output:

Address of str is 0x7fff0634b208
Address of t is 0x7fff0634b218
Address of e is 0x7fff0634b219
Address of s is 0x7fff0634b21a
Address of t is 0x7fff0634b21b
Address of the data of str is 0x7fff0634b218

可以看出，str的数据的地址是0x7fff0634b218，与t的地址匹配，即0x7fff0634b218，但对象str的地址在本身不一样0x7fff0634b208。