android底层库libutils之string8,string16研究

一、sharedBuffer&string如何牵手的      

在之前看android camera framework代码时，发现代码中大量使用了string8、string16类。由于之前学习的是C#，java等高级面向对象语言唯独没有认真研究过C++。所以对C++中的string比较陌生。虽然他们的用法都是一样的，但是这里还是想认真研究一下底层实现原理。

     string8和string16原理基本上是一样的，这里我们就分析常用的string8了，说到string8，我们就能想到和它有千丝万缕的sharedbuffer类。string8的内存就是通过sharebuffer类来管理的。每个string8对象对应一个sharebuffer的对象，sharedBuffer对象的下面就是我们的string8的内存空间。string8类中有一个mString的私有域就是指向sharedBuffer下面开始处的，如下图所示。

    为了说明string8对象就是sharedBuffer下面的内存空间，我们来看看shredBuffer对象的的的alloc方法。可以看到在申请了sizeof(SharedBuffer)+size大小的空间，其中size就是我们字符串大小。

SharedBuffer* SharedBuffer::alloc(size_t size)
{
    SharedBuffer* sb = static_cast(malloc(sizeof(SharedBuffer) + size));
    if (sb) {
        sb->mRefs = 1;
        sb->mSize = size;
    }
    return sb;
}

上面的sharedBuffer类我们只看到确实是多申请了Buffer，没看到是不是string8真的指向sharedBuffer对象下面的空间呢。我们来看看String8常用构造函数，下面的调用了allocFromUTF8方法。我们继续来到allocFromUTF8 慌然看到了sharedBuffer::alloc()方法，而且申请的大小是len+1，大家想想为啥还要+1.考虑一会...................

时间到了，大家在学习C语言的时候，都要在最后加一个'\n'换行符，也就是下面的str[len]=0；这点我思考了10分钟。哎。我们在看看这行代码char* str = (char*)buf->data();针对sharedBuffer的data方法，我们在下面会看到返回的是this+1.由于this指针的类型是sharedBuffer类型，所以+1就意味这加了sizeof(sharedBuffer)大小，加上这么大的大小就指向了紧挨着sharedBuffer的空间了，就是上图所示那样。不知道大家明白了没有。

String8::String8(const char* o)
    : mString(allocFromUTF8(o, strlen(o)))  //调用下面的函数
{
    if (mString == NULL) {
        mString = getEmptyString();
    }
}

static char* allocFromUTF8(const char* in, size_t len)
{
    if (len > 0) {
        SharedBuffer* buf = SharedBuffer::alloc(len+1); //为什么多+1？？？
        ALOG_ASSERT(buf, "Unable to allocate shared buffer");
        if (buf) {
            char* str = (char*)buf->data();  //笔锋转到下面的data方法
            memcpy(str, in, len);
            str[len] = 0;
            return str;
        }
        return NULL;
    }

    return getEmptyString();
}

//shardBuffer的data方法
const void* SharedBuffer::data() const {
    return this + 1;
}

二、sharedBuffer类介绍 

  下图是sharedBuffer类的全部属性和部分方法。从名字上来看，该类视乎和共享buffer有关系，其实仔细看看代码，它就只是对底层标准malloc等c库函数的再一次封装。我们就来给大家介绍几个我自认为重要的方法吧。

sharedBuffer::editResize()方法就是重新设置对象的大小。它的实现相对来说还是很简单的(其实就没难的地方，呵呵)。此方法在string8::lockBuffer()方法中有用到，在调用lockbuffer时，如果只有对象本身在用自己的buffer，那么就把自己的内存空间变小了（自我解脱了），如果还有别的引用对象在使用这片buffer的话，可以使用该引用对象调用lockbuffer(),那么它就会重新申请内存空间，并拷贝我们指定大小的空间，保证了源对象不会别破坏。好了，我们来说说editResize()函数吧，它的字面意思就是重新定义对象的大小了，具体它的注释，我就写在代码中了。如果想看代码，可以下载 附件。

SharedBuffer* SharedBuffer::editResize(size_t newSize) const
{
    if (onlyOwner()) { //这里判断是不是只有owner在用这个sharedBuffer对象，具体代码请看附件吧
        SharedBuffer* buf = const_cast(this);//拿到当前对象的指针
        if (buf->mSize == newSize) return buf;
        buf = (SharedBuffer*)realloc(buf, sizeof(SharedBuffer) + newSize); //重新申请一个sharedBuffer对象，realloc会申请制定大小的内存并拷贝
        if (buf != NULL) {
            buf->mSize = newSize;
            return buf;  //返回这个新建的sharedBuffer对象，看来这只能在sharedBuffer类中使用。
        }
    }
    SharedBuffer* sb = alloc(newSize); //如果不只有一个拥有者，存在引用对象，那么就重新申请一个sharedBuffer对象，防止对源数据的影响。
    if (sb) {
        const size_t mySize = mSize;
        memcpy(sb->data(), data(), newSize < mySize ? newSize : mySize); //拷贝数据
        release(); //释放当前对象了。
    }
    return sb;//返回新创建的sharedBuffer对象
}

这个函数就是根据当前string对象，找到它的知己sharedBuffer对象，奇怪的地方就是代码中为什么-1，

SharedBuffer* SharedBuffer::bufferFromData(void* data) {
    return data ? static_cast(data)-1 : 0;  //为什么要-1，减1就指向了sharedBuffer对象地址了。
}
size_t SharedBuffer::sizeFromData(const void* data) {
    return data ? bufferFromData(data)->mSize : 0; //这是给sring类调用,用于返回string对象内存大小
}

bool SharedBuffer::onlyOwner() const {
    return (mRefs == 1); //引用计数器为1时，只有创建者自己在使用此对象。
}

三、string8类介绍

下图是string8全部的属性和部分方法，同样这里我也只贴出部分我自认为重要的方法，来分析一下，详细伙计们还是看源码吧。

下面这个方法一看大家都明白，就是为当前string对象设置数据了

status_t String8::setTo(const char* other)
{
    const char *newString = allocFromUTF8(other, strlen(other)); //申请新的内存空间，其实生成了新的sharedBuffer对象
    SharedBuffer::bufferFromData(mString)->release(); //释放旧的内存空间
    mString = newString;
    if (mString) return NO_ERROR;

    mString = getEmptyString();
    return NO_MEMORY;
}

void String8::setTo(const String8& other)
{
    SharedBuffer::bufferFromData(other.mString)->acquire(); //被引用的string8对象，引用计数+1.
    SharedBuffer::bufferFromData(mString)->release();
    mString = other.mString;
}
status_t String8::append(const char* other) //在原有数据基础上，添加对应的数据，还是看源码吧^_^
{
    return append(other, strlen(other));
}

此函数有点不太好理解，我在本地调试时，试了很多情况，结果也没变化。后来发现原来是引用计数+1，-1原子操作时存在问题。当一个对象存在多个引用对象时，调用lockBuffer()方法，会返回一个新的string对象，以保护源数据。

char* String8::lockBuffer(size_t size)
{
    SharedBuffer* buf = SharedBuffer::bufferFromData(mString) //找到当前string对象的好基友sharedBuffer对象
        ->editResize(size+1);
    if (buf) {
        char* str = (char*)buf->data();
        mString = str;
        return str;
    }
    return NULL;
}

四、测试代码

下面只列出了main函数的实现内容，完整的代码大家可以下载 附件，这里就是演示一下常用的函数。

int main(int argc, char **argv)
{
	android::initialize_string8();
	android::initialize_string16();
// start of your code

	String8 str1("armwind");
	String8 str2(" is a good man! ^_^");
	String8 add8 = str1 + str2; //这个在类中有重载运算符的实现
	cout<<"name:"<


打印结果：


name:armwind is a good man! ^_^

toUpper:ARMWIND IS A GOOD MAN! ^_^
lockBuffer:ARMWIND IS A GOOD MAN! ^_^
lockBuffer_test:ARMWIND IS A GOOD MAN! ^_^
name:hello
name:hello is a good boy!
clear:
format:hello p

分析：上面的代码只是部分main函数，完整的代码大家可以下载 附件，除了initialize_string()和terminate_string()函数，其它的函数都是在探究一下string8的特性。目前在调用format函数时，输出的结果并不是我们意向中的“hello world”，这里可能在移植到x86下，一些数据类型不匹配导致的吧。具体原因我就不找了，如果大家找到原因了，可以贴到评论上^_^,此外示例源码中android_atomic_add()函数也存在问题，即在执行+1，-1操作时，没有将修改后的值赋给引用计数器(大家下载下来自己动手改改吧，我就不上传了)。这样就会导致后面lockbuffer()时探索遇到了点问题。

开始和结尾的init代码(如下所示)，本来是在static.cpp代码中调用的，这里由于不想在加一个源文件，就直接在这里调用了。
    android::initialize_string8();
    android::initialize_string16();

    android::terminate_string16();
    android::terminate_string8();
下面可以看到，在类的构造函数和析构函数中，调用了相应的初始化函数和终结函数。而在类声明的下方就定义了LibUtilsFirstStatics 对象 gFirstStatics 该对象其它文件中也没调用，也许就是为了调用init函数和终结函数吧。

class LibUtilsFirstStatics
{
public:
    LibUtilsFirstStatics()
    {
        initialize_string8();
        initialize_string16();
    }
    
    ~LibUtilsFirstStatics()
    {
        terminate_string16();
        terminate_string8();
    }
};

static LibUtilsFirstStatics gFirstStatics;

五、调试过程中遇到的问题

1) 在调试过程，由于命名空间的使用问题，导致一些方法找不到，编译不过。解决办法就是添加对应的命名空间

2) 假如在类A中使用了类B，在没有包含类B时，编译时提示找不到类B相应的方法。解决办法就是包含对应的类，如直接包含class String8; 结构体也可以这样包含。

3) main函数不能包含在命名空间中，要不然编译会出问题的。