存储 std::string 数据的指针是否安全？

Question

我的问题关于复制构造和重新分配的机制。

我有一个类，用于收集字符串。在向收集中添加字符串后，将复制并存储到向量中。但我也需要访问所有字符串的集合作为 const char * const*，因此我还通过.c_str()存储每个字符串数据的指针。

class MyStrings {
private:
    std::vector<std::string> names;
    std::vector<const char*> cStringPointers;
public:
    const char *const *Data() const
    {
        return this->cStringPointers.data();
    }

    void Add(const std::string &name)
    {
        // copy [name] and store the copy in [this->names].
        this->names.push_back(name); 
        // Store the pointer to the data of the copy.
        this->cStringPointers.push_back(this->names.back().c_str());
    }
}

我知道，将指针存储在向量元素中是不好的，因为当向量重新分配内存时，这些指针将不再有效。

但是我仅存储数据的指针。所以这是我的想法：

如果“names”被调整大小，它将移动构造其中包含的所有字符串，因此这些字符串将不会分配新的内存，而是只使用已经分配的内存，因此我的 cStringPointers 中的指针仍然有效。

我的问题现在很简单：是否有什么我错过的东西，使得这段代码不安全或导致未定义的行为？

（假设我不使用任何异乎寻常的架构或编译器。）

- churill

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为什么要将它们与字符串分开存储？相反，您可以在需要时调用 c_str。 - 463035818_is_not_a_number

我认为OP需要一个指针数组，出于某种原因（例如，要传递给某个C函数）。 - Daniel Langr

你知道记录（名称）的数量吗？如果是，你可以为“names”保留空间，这样就不会发生重新分配。另一种选择是检查重新分配（比较“names”的大小和容量），如果发生了重新分配，则重建整个数组“cStringPointers”。 - Daniel Langr

是的，@DanielLangr是正确的，我需要用于某些C接口，更具体地说是用于Vulkan，因为它要求扩展和层名称为const char * const*。 - Lukas-T

Answer 1

我的问题现在很简单：我是否错过了任何可能使这段代码不安全或导致未定义行为的内容？

是的，您错过了小字符串优化。这是标准允许的并得到广泛实现，会导致指针悬空，因为字符串实际上将它们的数据移动到新位置。

- Quentin

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谢谢，我之前不知道这个 :) - Lukas-T

Answer 2

这是不安全的。即使 cStringPointers 也不安全。

值得注意的是，大多数编译器的标准库都实现了一种称为Small String Optimization (SSO)的东西。在SSO中，如果字符串很小（在GCC中为15个字符），则该字符串的内存不会在堆中分配，而是直接保存在std::basic_string类中。为了实现这一点，std::basic_string的大小要大于指针所需的大小（begin、end、capacity）。

这意味着，如果向量被重新定位，小字符串将改变它们的位置。 较长的字符串将保持有效，因为它们是在堆上分配的，不会被复制。

- Marek R

Answer 3

我的问题很简单：我是否遗漏了一些可能会导致代码不安全或导致未定义行为的内容？

是的。即使任何常见的std::string实现会移动字符串的数据并保持指针有效，但这个特定的假设取决于实现，因此是未定义行为。只有当标准实际上保证这样的细节时，您才可以依赖它（通常在标题为“迭代器有效性”等的部分中找到）。在std::string的移动构造函数（No. 2）的文档中，它明确说明：

与其他容器移动赋值不同，对str的引用、指针和迭代器可能无效。

这里，对于大多数实现来说，这个假设实际上是错误的，因为它们使用了小字符串优化。这将把长度不超过一定大小（“小字符串”）的字符串存储在string对象本身中，而不是动态分配内存。因此，当string被移动时，它只能避免复制动态分配的长字符串，而实际上会复制小字符串。因此，在移动小字符串后，c_str()将产生不同的指针。

- Jonas Greitemann

Answer 4

只是从C++标准[string.require.4]中添加一个相关的引用：

引用、指针和迭代器指向basic_string序列的元素，可能会被该basic_string对象的以下使用使无效：

- 作为传递给任何以非const basic_string作为参数的引用的标准库函数的参数。

在向量重新分配期间对字符串进行移动构造正是这种情况，因为移动构造函数将非const字符串的引用作为参数。

- Daniel Langr