超值分享为何写服务器程序需要自己管理内存，从改造std::string字符串操作说起。。。 _服务器

博观而约取，厚积而薄发。这篇文章主要讲述超值分享为何写服务器程序需要自己管理内存，从改造std::string字符串操作说起。。。相关的知识，希望能为你提供帮助。
服务器程序为何要进行内存管理，管中窥豹，让我们从string字符串的操作说起。。。。。。
new/delete是用于c++中的动态内存管理函数，而malloc/free在c++和c中都可以使用，本质上new/delete底层封装了malloc/free。无论是上面的哪种内存管理方式，都存在以下两个问题：
1、效率问题：频繁的在堆上申请和释放内存必然需要大量时间，降低了程序的运行效率。对于一个需要频繁申请和释放内存的程序由于是服务器程序来说，大量的调用new/malloc申请内存和delete/free释放内存都需要花费系统时间，这就必然会降低程序的运行效率。
2、内存碎片：经常申请小块内存，会将物理内存“切”得很碎，导致内存碎片。申请内存的顺序并不是释放内存的顺序，因此频繁申请小块内存必然会导致内存碎片，可能造成“有内存但是申请不到大块内存”的现象。
对于客户端软件，内存管理不是很重要，起码你可以重启机器。但对于需要24小时长期不间断运行的服务器程序来说就显得特别的重要了！
比如无处不在的web服务器，它采用的是HTTP协议，基于请求—应答的超文本传输方式，这种一问一答的协议非常简单，请求头和响应头都是非二进制的字符串。当服务端收到客户端的GET或POST请求时，服务器程序要先构造一个响应头并拼接响应体，如下：

// 构造响应头 string strHttpResponse; strHttpResponse += "HTTP/1.1 200 OK\\r\\n"; strHttpResponse += "Server: HttpServer \\r\\n"; strHttpResponse += "Content-Type: text/html; charset=utf-8\\r\\n"; strHttpResponse += "Content-Length: 9527\\r\\n"; strHttpResponse += "Last-Modified: Sat, 13 Apr 2019 14:27:06 GMT\\r\\n"; strHttpResponse += "\\r\\n"; // 空行，空行后就是真正的响应体// 构造响应体 strHttpResponse += "< html> < head> < title> Hello，我是9527！< /title> " "< /head> < body> Hello，我是9527的body，假装我有9527那么长!< /body> < /html> ";

对于动态网页或者后台应用来说，通常需要查询数据库以及各种业务上的操作，然后将结果拼接为json或xml这种半结构化数据返回给客户端。
当然这篇文章并不是要介绍什么是HTTP协议，关于HTTP协议介绍的文章已经非常多了。我们是想通过一次正常的HTTP会话，来看看字符串操作是如何应用的？是否有优化提升的可能？
字符串操作能有多大事啊！
对于客户端来说，问题确实不大，但对于每天24小时不关机长期运行的web服务器程序来说可能就会产生性能问题。字符串在累加赋值时，可能导致内存的不断开辟和销毁，也就是上面我们说的产生了内存碎片。
产生内存碎片能有多大事啊！
如果在高并发的情况下，性能就可能会有影响，频繁的malloc/free本身就会大量的占用CPU时间，过多的碎片将会让物理内存过于碎片化，从而导致无法申请更大的连续的内存块。
无论是标准库中的string还是微软MFC库中的CString，内部都会维护一个字符串缓存。当拼接后的字符串长度小于内部缓存时，直接将两个字符串连接即可；当拼接后的字符串长度大于内部缓存时，就需要重新开辟一个新的更大的缓存，然后将字符串重新拼接起来。为了直观的进行比较，我们编写一个自己的字符串封装类CFastString（文末有CFastString的全部实现）。并重载操作符“+=”。

const CFastString& CFastString::operator+=(const char *pszSrc) { assert(pszSrc); int iLenSrc = https://www.songbingjia.com/android/_tcslen(pszSrc); int iNewSize = iLenSrc + length() + 1; // 0结尾，所以+1// 当内部缓存足够时，直接进行拼接，不足时则需要开辟新的内存 if(m_iBuffSize > = iNewSize) { memcpy(m_pszStr+m_iStrLen, pszSrc, iLenSrc); *(m_pszStr+iNewSize-1) = 0; } else { // 分配一块新的内存 char* pszNew = AllocBuffer(iNewSize); // 将字符串拷贝拼接到新开辟的内存中 // 方法一：strcpy+strcat strcpy(pszNew, m_pszStr); strcat(pszNew, pszSrc); // 方法二：直接使用内存拷贝 //memcpy(pszNew, m_pszStr, m_iStrLen); //memcpy(pszNew+m_iStrLen, pszSrc, iLenSrc); free(m_pszStr); m_pszStr = pszNew; } m_iStrLen = iNewSize-1; return *this; }

通过上面的代码可以看到，如果内部缓存不足时，将会重新申请新的缓存，字符串在不断累加过程中，可能会导致内存的反复申请和销毁，那么如何提升性能呢？
我们写个测试函数比较CFastString和string的累加函数（+=）的性能，测试代码如下：

void TestFastString() { int i = 0; int iTimes = 5000; // 测试CFastString printf("CFastString 测试：\\r\\n"); CFastString fstr = "Hello"; DWORD dwStart = ::GetTickCount(); for(i = 0; i < iTimes; i++) {fstr += "10000000000000000000000000000000"; fstr += "20000000000000000000000000000000"; fstr += "30000000000000000000000000000000"; fstr += "40000000000000000000000000000000"; } DWORD dwSpan1 = ::GetTickCount()-dwStart; printf("CFastString Span = %d\\n", dwSpan1); // 测试string printf("std::string 测试：\\r\\n"); string str = "Hello"; dwStart = ::GetTickCount(); for(i = 0; i < iTimes; i++) { str += "10000000000000000000000000000000"; str += "20000000000000000000000000000000"; str += "30000000000000000000000000000000"; str += "40000000000000000000000000000000"; } DWORD dwSpan2 = ::GetTickCount()-dwStart; printf("std::string Span = %d\\n", dwSpan2); printf("测试结束！\\r\\n"); }

运行一下，结果如下：

超值分享为何写服务器程序需要自己管理内存，从改造std::string字符串操作说起。。。

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我们发现CFastString并不fast，反而相当的slow。重新封装的字符串操作类还不如不封装，会不会是strcpy和strcat比较慢？
改进一：我们修改CFastString::operator+=(const char *pszSrc)函数代码，将如下拼接语句：

// 方法一：strcpy+strcat strcpy(pszNew, m_pszStr); strcat(pszNew, pszSrc);

改为：

// 方法二：直接使用内存拷贝 memcpy(pszNew, m_pszStr, m_iStrLen); memcpy(pszNew+m_iStrLen, pszSrc, iLenSrc);

再次运行看下结果：

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【超值分享为何写服务器程序需要自己管理内存，从改造std::string字符串操作说起。。。】还不错，比string快了一点，但好像并不显著。重载的+=函数中，每次内存分配的大小为前一个字符串加后一个字符串的大小，这就导致了一旦字符串的内部缓存已满时，后面每次的累加操作都会触发一次内存的重新申请和释放。举个极端的例子，假设str在累加操作前内部缓存已满：

str += "0"; str += "1"; str += "2"; str += "3"; str += "4"; str += "5"; str += "6"; str += "7"; str += "8"; str += "9";

和

str += "0123456789";

两者虽然结果一样，但第一种写法会触发10次内存的申请和释放，而后者只触发了一次。
如果我们每次申请内存时多分配一点，效果如何呢？
改进二：我们将：

char* pszNew = AllocBuffer(iNewSize);

改为：

// 分配一块新的内存，将之前的按原尺寸分配改为增加1.5 char* pszNew = AllocBuffer(iNewSize, 1.5);

累加字符串时，我们并不是按照实际需要的尺寸来分配内存，而是在此基础上多分50%。运行结果如下：

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CFastString快的仿佛飞了起来。如果上面测试函数中的iTimes不是循环次数而是并发数，也就是服务器同时处理了5000个HTTP请求，那么可以看到，CPU的处理速度得到了极大提升，也就说让CPU避免了频繁的malloc和free操作，在处理速度提升的同时，内存碎片也得到了降低。
当然你可能会说，内存多分配了50%，但这个50%换来了性能上的极大提升，服务器编程中以空间换时间非常正常，内存闲着也是闲着，又不是不还。回到AllocBuffer(int iAllocSize, double dScaleOut)这个函数上，我们只是增加了一个控制参数dScaleOut而已。
上面并不是严格意义上的内存管理，只能说是内存分配的技巧。真正的内存管理是需要预先分配N多连续的内存块（也就是内存池），当String需要内存时从内存池中申请一块，释放时再还给内存池，内存池的实现很多，已经写的太多了，就下次再介绍吧。
回到主题，如果想写好一个高性能的服务器程序，很多细节问题都要考虑，哪怕是不起眼的字符串操作，哪怕是字符串中不起眼的累加操作。
我的HttpServer就是使用了自定义CFastString同时结合了真正的内存管理，IOCP只是保证高并发的前提，真正的把内存管理起来才能确保服务器发挥最佳的性能。
下面是CFastString案例简单源码，拿走不谢！
头文件

#include < TCHAR.h> #define DEFAULT_BUFFER_SIZE256 class CFastString { public: CFastString(); CFastString(const CFastString& cstrSrc); CFastString(const char* pszSrc); virtual ~CFastString(); public:int length() const{ return m_iStrLen; }// 这种方式获取字符串的长度要慢于length()函数 int GetLength() { return m_pszStr ? strlen(m_pszStr) : -1; } char* c_str() const{ return m_pszStr; }// =============运算符重载============= const CFastString& operator=(const CFastString& cstrSrc); const CFastString& operator=(const char* pszSrc); const CFastString& operator+=(const CFastString& cstrSrc); const CFastString& operator+=(const char *pszSrc); // =============友元函数============= friend CFastString operator+(const CFastString& cstr1, const CFastString& cstr2); friend CFastString operator+(const CFastString& cstr, const char* psz); friend CFastString operator+(const char* psz, const CFastString& cstr); // 类型转换重载 operator char*() const{ return m_pszStr; } operator const char*() const{ return m_pszStr; }protected: // =============连接两个字符串============= void Concat(const char* psz1, const char* psz2); protected: char* AllocBuffer(int iAllocSize, double dScaleOut = 1.0); voidReAllocBuff(int iNewSize); protected: char*m_pszStr; // 字符串Buffer intm_iStrLen; // 字符串长度 intm_iBuffSize; // 字符串所在Buffer长度 };

实现文件

#include "stdafx.h" #include "FastString.h" #include < stdlib.h> #include < assert.h> #include < TCHAR.h> ////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Construction/Destruction //////////////////////////////////////////////////////////////////////CFastString::CFastString() { m_iBuffSize = DEFAULT_BUFFER_SIZE; m_pszStr = (char*)malloc(m_iBuffSize); memset(m_pszStr, 0, m_iBuffSize); m_iStrLen = 0; }CFastString::CFastString(const CFastString& cstrSrc) { int iSrcSize = cstrSrc.length()+1; m_pszStr = AllocBuffer(iSrcSize); m_iStrLen = 0; //_tcscpy(m_pszStr, cstrSrc); memcpy(m_pszStr, cstrSrc.c_str(), iSrcSize); m_iStrLen = iSrcSize-1; }CFastString::CFastString(const char* pszSrc) { assert(pszSrc); int iSrcSize = _tcslen(pszSrc) + 1; m_pszStr = AllocBuffer(iSrcSize); m_iStrLen = 0; //_tcscpy(m_pszStr, pszSrc); memcpy(m_pszStr, pszSrc, iSrcSize); m_iStrLen = iSrcSize-1; }CFastString::~CFastString() { free(m_pszStr); m_pszStr = NULL; m_iStrLen = 0; m_iBuffSize = 0; }char* CFastString::AllocBuffer(int iAllocSize, double dScaleOut) { if(dScaleOut < 1.0) dScaleOut = 1.0; int iNewBuffSize = int(iAllocSize*dScaleOut); if(iNewBuffSize > m_iBuffSize) m_iBuffSize = iNewBuffSize; char* pszNew = (char*)malloc(m_iBuffSize); return pszNew; }void CFastString::ReAllocBuff(int iNewSize) { if(iNewSize < = 0) { assert(0); return ; }if(iNewSize < = m_iBuffSize) return ; m_iStrLen = 0; // 重新分配一块内存 free(m_pszStr); m_pszStr = (char*)malloc(iNewSize); m_iBuffSize = iNewSize; }void CFastString::Concat(const char* psz1, const char* psz2) { assert(psz1); assert(psz2); if(NULL == psz1 || NULL == psz2) return; int iLen1 = _tcslen(psz1); int iLen2 = _tcslen(psz2); int iNewSize = iLen1 + iLen2 + 1; if(m_iBuffSize < iNewSize) ReAllocBuff(iNewSize); // 拷贝字符串1 memcpy(m_pszStr, psz1, iLen1); // 拷贝字符串2 memcpy(m_pszStr+iLen1, psz2, iLen2); m_iStrLen = iNewSize-1; *(m_pszStr+m_iStrLen) = 0; }const CFastString& CFastString::operator=(const char* pszSrc) { assert(pszSrc); int iSrcSize = _tcslen(pszSrc)+1; if(m_iBuffSize < iSrcSize) ReAllocBuff(iSrcSize); //strcpy(m_pszStr, pszSrc); memcpy(m_pszStr, pszSrc, iSrcSize); m_iStrLen = iSrcSize - 1; return *this; }const CFastString& CFastString::operator+=(const CFastString& cstrSrc) { cstrSrc.length(); int iNewSize = cstrSrc.length() + length() + 1; if(m_iBuffSize > = iNewSize) { memcpy(m_pszStr+m_iStrLen, cstrSrc.c_str(), cstrSrc.length()); *(m_pszStr+iNewSize-1) = 0; } else { char* pszNew = AllocBuffer(iNewSize, 1.5); memcpy(pszNew, m_pszStr, m_iStrLen); memcpy(pszNew+m_iStrLen, cstrSrc.c_str(), cstrSrc.length()); free(m_pszStr); m_pszStr = pszNew; } m_iStrLen = iNewSize-1; return *this; }const CFastString& CFastString::operator+=(const char *pszSrc) { assert(pszSrc); int iLenSrc = https://www.songbingjia.com/android/_tcslen(pszSrc); int iNewSize = iLenSrc + length() + 1; // 当内部缓存足够时，直接进行拼接，不足时则需要开辟新的内存 if(m_iBuffSize > = iNewSize) { memcpy(m_pszStr+m_iStrLen, pszSrc, iLenSrc); *(m_pszStr+iNewSize-1) = 0; } else { // 分配一块新的内存，将之前的按原尺寸分配改为增加1.5 //char* pszNew = AllocBuffer(iNewSize); char* pszNew = AllocBuffer(iNewSize, 1.5); // 将字符串拷贝拼接到新开辟的内存中// 方法一：strcpy+strcat //strcpy(pszNew, m_pszStr); //strcat(pszNew, pszSrc); // 方法二：直接使用内存拷贝 memcpy(pszNew, m_pszStr, m_iStrLen); memcpy(pszNew+m_iStrLen, pszSrc, iLenSrc); free(m_pszStr); m_pszStr = pszNew; } m_iStrLen = iNewSize-1; return *this; }// ===============friend函数=================== CFastString operator+(const CFastString& cstr1, const CFastString& cstr2) { CFastString cstrNew; cstrNew.Concat(cstr1, cstr2); return cstrNew; } CFastString operator+(const CFastString& cstr, const char* psz) { CFastString cstrNew; cstrNew.Concat(cstr, psz); return cstrNew; } CFastString operator+(const char* psz, const CFastString& cstr) { CFastString cstrNew; cstrNew.Concat(psz, cstr); return cstrNew; }