C++中的std::ostringstream与std::string::append比较

Question

在所有使用某种缓冲的示例中，我看到他们使用流而不是字符串。 std::ostringstream 和 << 操作符与使用 string.append 有何不同。哪个更快，哪个使用更少的资源（内存）。

我知道的一个区别是，您可以将不同类型（例如整数）输出到输出流中，而不仅仅是 string::append 接受的有限类型。

以下是一个示例：

std::ostringstream os;
os << "Content-Type: " << contentType << ";charset=" << charset << "\r\n";
std::string header = os.str();

对比

std::string header("Content-Type: ");
header.append(contentType);
header.append(";charset=");
header.append(charset);
header.append("\r\n");

显然使用流更短，但我认为append返回字符串的引用，所以可以这样写：

std::string header("Content-Type: ");
header.append(contentType)
  .append(";charset=")
  .append(charset)
  .append("\r\n");

使用输出流，您可以执行以下操作：

std::string content;
...
os << "Content-Length: " << content.length() << "\r\n";

但是对于内存使用和速度呢？特别是在大循环中使用时。

更新：

更明确的问题是：我应该使用哪一种，为什么？是否有某些情况下更偏向于其中一种而不是另一种？就性能和内存来说......我认为基准测试是唯一的方法，因为每种实现可能都不同。

更新2：

哦，从答案中我没有得到清晰的想法，究竟应该使用哪一个，这意味着它们中的任何一个都可以完成工作，加上vector。 Cubbi 进行了良好的基准测试，并添加了 Dietmar Kühl，最大的区别在于这些对象的构造。如果您正在寻找答案，也应该查看该测试。我会再等待一段时间以获取其他答案（请参见上一个更新），如果我没有得到答案，我认为我会接受 Tolga 的答案，因为他建议使用的向量已经被采用过了，这意味着向量应该是占用资源较少的。

- NickSoft

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离题：你还应该寻找一个快速的函数来将整数转换为字符串/字符。sprintf/itoa在执行Content-Length的简单整数到十进制字符串转换时表现不佳。 - Etherealone

sprintf 可能因为格式选项而变慢，但你认为 itoa 为什么会变慢呢？ - NickSoft

我不应该在那里写itoa。我的意思是itoa不应该是一个选项，因为它是非标准的。但我记得将其与这些进行比较：https://gist.github.com/anonymous/7179097 - Etherealone

Answer 1

构建流对象比构建字符串对象要复杂得多，因为它必须持有（并且因此构造）它的std::locale成员，以及其他需要维护状态的内容（但是地域设置明显是最重的）。

添加操作类似：两者都维护着一段连续的字符数组，在容量不足时都会进行分配。我能想到的唯一区别是在向流添加内容时，每次溢出都会有一个虚函数调用（除了内存分配/复制之外，这也是溢出处理主导的因素），而operator<<则必须对流的状态进行一些额外的检查。

另外，请注意你正在调用str()函数，它会再次复制整个字符串，因此根据你的代码编写方式，流示例执行更多操作，应该会更慢。

让我们来测试一下：

#include <sstream>
#include <string>
#include <numeric>

volatile unsigned int sink;
std::string contentType(50, ' ');
std::string charset(50, ' ');
int main()
{
 for(long n = 0; n < 10000000; ++n)
 {
#ifdef TEST_STREAM    
    std::ostringstream os;
    os << "Content-Type: " << contentType << ";charset=" << charset << "\r\n";
    std::string header = os.str();
#endif
#ifdef TEST_STRING
    std::string header("Content-Type: ");
    header.append(contentType);
    header.append(";charset=");
    header.append(charset);
    header.append("\r\n");
#endif
    sink += std::accumulate(header.begin(), header.end(), 0);
 }
}

那是1000万次重复。

在我的Linux系统上，我得到了

                   stream         string
g++ 4.8          7.9 seconds      4.4 seconds
clang++/libc++  11.3 seconds      3.3 seconds

所以，在这种情况下，在这两个实现中，字符串似乎运行速度更快，但显然两种方法都有很大的改进空间（保留字符串的reserve()函数，将流构造移出循环，使用不需要复制就能访问其缓冲区的流等等）

- Cubbi

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你忘记处理类似 std::ios_base::width 的东西了。 - Slava

@Slava在流构造的额外负载中添加了一个荣誉提及：当宽度为零时，字符串的operator<<没有任何特殊操作。 - Cubbi

将设置稍微改动一下，构建流程放在循环外并仅重置它(os.str(""))，会以有趣的方式改变数字：在gcc上流程现在更快了，但在clang上更慢了。我得到的结果是gcc/string=4.5秒，gcc/stream=2.5秒，clang/string=2.25秒，clang/stream=4.1秒：非常好玩 ;) - Dietmar Kühl

所以，除非您每次都在构建流，否则它实际上与使用字符串相当。 - NickSoft

Answer 2

在内存中，std::ostringstream 不一定是作为连续的字符数组进行存储的。当发送 HTTP 头信息时，你实际上需要一个连续的字符数组，并且这可能会复制/修改内部缓冲区以使其成为连续的。

使用适当的 std::string::reserve，std::string 在这种情况下没有理由比 std::ostringstream 慢。

然而，如果你不确定要保留多大的空间，std::ostringstream 在追加方面可能更快。如果你使用 std::string 并且字符串增长了，它最终需要重新分配和复制整个缓冲区。相比于否则会发生的多次重新分配，最好使用一次 std::ostringstream::str() 将数据变成连续的。

P.S. 在 C++11 之前，std::string 也不一定是连续的，虽然几乎所有库都将其实现为连续的。你可以冒险使用它，或者改用 std::vector<char>。你需要使用以下方式进行追加：

char str[] = ";charset=";
vector.insert(vector.end(), str, str + sizeof(str) - 1);

std::vector<char>出于性能考虑可能是最便宜的构造方式，但与std::string和它们实际构造所需的时间相比，这可能并不重要。我曾尝试过类似于你正在尝试的事情，并选择了std::vector<char>。纯粹是因为逻辑原因；向量似乎更适合这项工作。你实际上并不需要字符串操作之类的东西。后来我做的基准测试表明它的性能更好，或者只是因为我没有用std::string实现好操作。

在选择时，具有您需要的要求和最少额外功能的容器通常做得最好。

- Etherealone

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动态增长缓冲区的成本出人意料地低廉。 - jthill

使用适当的缓存，我同意，否则会导致持续的内存重新分配，从而降低性能。尽管 ostringstream 由于性能原因不会按顺序存储它，但这并不意味着您不能使用 str().c_str() 在连续的缓冲区中获取它。 - Havenard

@NickSoft 由于向量是连续的，因此您可以通过访问其第一个元素来访问其缓冲区：char const* data = &vector[0]; - Etherealone

@NickSoft 我认为任何头文件都不会超过2KB，这似乎是一个很好的保留值。即使您有100万个连接的客户端，它也只会使用2GB的RAM，与您的数据库服务器相比，这将是微不足道的，假设只有5〜10％的实际用户同时在线（当然，这是一个原始的假设，如果没有非常便宜的话，数据库操作可能根本不存在）。您甚至可以每天记录统计数据并进行计算，以动态找到正确的保留大小。 - Etherealone

这段内容的意思是：vector中的元素是存储在一起的，这意味着不仅可以通过迭代器访问元素，还可以使用指向元素的普通指针进行偏移。这意味着可以将指向vector元素的指针传递给期望指向数组元素的任何函数。(顺便提一下，建议使用cppreference.com查找信息)。 - Etherealone

Answer 3

使用流（stream），您可以使您的类Myclass覆盖<<操作，以便您可以编写：

MyClass x;
ostringstream y;
y << x;

如果要追加内容，您需要拥有一个ToString方法（或类似的方法），因为您无法重写字符串的append函数。

对于某些代码片段，请使用您感觉更舒适的方式。 对于更大的项目，使用流式处理在能够简单地流式传输对象时非常有用。

- Sorin

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但是正如Dieter Lücking指出的那样，您可以使用+来附加字符串。您可以轻松地覆盖+运算符。 - NickSoft

真的，但不是append函数。如果你覆盖了+运算符，当编译器决定先执行其他操作或者没有覆盖所有顺序时，可能会遇到麻烦。我建议不要覆盖+运算符，除非你的类是某种标量或向量值。 - Sorin

Answer 4

如果您关心速度，您应该进行性能分析和/或测试。理论上，std::string::append 不应该比它更简单（流必须处理区域设置、不同的格式化并且更通用）更慢。但是，只有通过测试才能真正了解一个解决方案比另一个解决方案更快。

- Slava

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每种类型调用不同的函数，而这个选择是在编译时进行的。我认为这个方面并不影响性能。 - Havenard

@Havenard 我说了什么反面的话吗？ - Slava