从源码角度分析C++中string具体是如何实现的

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gaosmile 发布时间：2020-9-7 14:02

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我们平时使用C++开发过程中或多或少都会使用std::string，但您了解string具体是如何实现的吗，这里程序喵给大家从源码角度分析一下。

读完本文相信您可以回答以下问题：

▼ string的常见的实现方式有几种？

▼ string类的内部结构是什么样子？

▼ string内部使用的内存是如何分配管理的？

▼ string是如何拷贝构造，如何析构的，有引用计数的概念吗？

▼ string的data()和c_str()函数有什么区别？

▼ std::to_string()是如何实现的？

常见的string实现方式有两种，一种是深拷贝的方式，一种是COW（copy on write）写时拷贝方式，以前多数使用COW方式，但由于目前多线程使用越来越多，COW技术在多线程中会有额外的性能恶化，所以现在多数使用深拷贝的方式，但了解COW的技术实现还是很有必要的。

这里会对这两种方式都进行源码分析，正文内容较少，更多内容都在源码的注释中。

string的内容主要在gcc源码的三个文件中：<string>、<basic_string.h>、<basic_string.tcc>

在分析前先介绍下string或者C++ stl中几个基本的概念：

size: 表示真实数据的大小，一般resize函数改变的就是这个值。
capacity：表示内部实际已经分配的内存大小，capacity一定大于等于size，当size超过这个容量时会触发重新分配机制，一般reserve函数改变的就是这个值。

深拷贝下string的实现

<string>文件中有如下代码：

// file: string
using string = basic_string<char>;

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这里可以看到string其实真实的样子是basic_string，这里可以看下basic_string真实的结构：

template <typename _CharT, typename _Traits, typename _Alloc>
class basic_string {
// Use empty-base optimization: http://www.cantrip.org/emptyopt.html
struct _Alloc_hider : allocator_type // TODO check __is_final
{
_Alloc_hider(pointer __dat, const _Alloc& __a) : allocator_type(__a), _M_p(__dat) {}
_Alloc_hider(pointer __dat, _Alloc&& __a = _Alloc()) : allocator_type(std::move(__a)), _M_p(__dat) {}
/**
* _M_p指向实际的数据
*/
pointer _M_p; // The actual data.
};
_Alloc_hider _M_dataplus;
/**
* 真实数据的长度，等价于前面介绍的STL中的size
*/
size_type _M_string_length;
enum { _S_local_capacity = 15 / sizeof(_CharT) };
/**
* 这里有个小技巧，用了union
* 因为使用_M_local_buf时候不需要关注_M_allocated_capacity
* 使用_M_allocated_capacity时就不需要关注_M_local_buf
* 继续向下看完您就会明白。
*/
union {
_CharT _M_local_buf[_S_local_capacity + 1];
/**
* 内部已经分配的内存的大小，等价于前面介绍的STL中的capacity
*/
size_type _M_allocated_capacity;
};
};

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从这里可以看见整个basic_string的结构如图：

看下面代码：

string str;

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这段代码会调用普通构造函数，对应的源码实现如下：

basic_string() : _M_dataplus(_M_local_data()) { _M_set_length(0); }

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而_M_local_data()的实现如下：

const_pointer _M_local_data() const {
return std::pointer_traits<const_pointer>::pointer_to(*_M_local_buf);
}

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这里可以看见M_dataplus表示实际存放数据的地方，当string是空的时候,其实就是指向M_local_buf，且_M_string_length是0。

当由char*构造string时，构造函数如下：

basic_string(const _CharT* __s, size_type __n, const _Alloc& __a = _Alloc()) : _M_dataplus(_M_local_data(), __a) {
_M_construct(__s, __s + __n);
}

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首先让M_dataplus指向local_buf，再看下M_construct的实现，具体分析可以看下我代码中添加的注释：

/***
* _M_construct有很多种不同的实现，不同的迭代器类型有不同的优化实现，
* 这里我们只需要关注一种即可，整体思路是相同的。
*/
template <typename _CharT, typename _Traits, typename _Alloc>
template <typename _InIterator>
void basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::_M_construct(_InIterator __beg, _InIterator __end,
std::input_iterator_tag) {
size_type __len = 0;
size_type __capacity = size_type(_S_local_capacity);
// 现在__capacity是15，注意这个值等会可能会改变
while (__beg != __end && __len < __capacity) {
_M_data()[__len++] = *__beg;
++__beg;
}
/** 现在_M_data()指向的是_M_local_buf
* 上面最多会拷贝_S_local_capacity即15个字节，继续往下看，
* 当超过_S_local_capacity时会重新申请一块堆内存，_M_data()会去指向这块新内存
*/
__try {
while (__beg != __end) {
if (__len == __capacity) {
/**
* 就是在这里，当string内capacity不够容纳len个字符时，会使用_M_create去扩容
* 这里你可能会有疑惑，貌似每次while循环都会去重新使用_M_create来申请多一个字节的内存
* 但其实不是，_M_create的第一个参数的传递方式是引用传递，__capacity会在内部被修改，稍后会分析
*/
__capacity = __len + 1;
pointer __another = _M_create(__capacity, __len);
/**
* 把旧数据拷贝到新的内存区域，_M_data()指向的是旧数据，__another指向的是新申请的内存
*/
this->_S_copy(__another, _M_data(), __len);
/**
* __M_dispose()
* 释放_M_data()指向的旧数据内存，如果是_M_local_buf则不需要释放，稍后分析
*/
_M_dispose();
/**
* _M_data()
* 内部的指向内存的指针指向这块新申请的内存__another，它的实现其实就是
* void _M_data(pointer __p) { _M_dataplus._M_p = __p; }
*/
_M_data(__another);
/**
* _M_allocated_capacity设置为__capacity
* 实现为 void _M_capacity(size_type __capacity) { _M_allocated_capacity = __capacity; }
*/
_M_capacity(__capacity);
}
_M_data()[__len++] = *__beg;
++__beg;
}
}
__catch(...) {
/**
* 异常发生时，避免内存泄漏，会释放掉内部申请的内存
*/
_M_dispose();
__throw_exception_again;
}
/**
* 最后设置string的长度为__len
* 实现为void _M_length(size_type __length) { _M_string_length = __length; }
*/
_M_set_length(__len);
}

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再分析下内部的内存申请函数_M_create：

/**
* @brief _M_create表示申请新内存
* @param __capacity 想要申请的内存大小，注意这里参数传递方式是引用传递，内部会改变其值
* @param __old_capacity 以前的内存大小
*/
template <typename _CharT, typename _Traits, typename _Alloc>
typename basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::pointer basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::_M_create(
size_type& __capacity, size_type __old_capacity) {
/**
* max_size()表示标准库容器规定的一次性可以分配到最大内存大小
* 当想要申请的内存大小最大规定长度时，会抛出异常
*/
if (__capacity > max_size()) std::__throw_length_error(__N("basic_string::_M_create"));
/**
* 这里就是常见的STL动态扩容机制，其实常见的就是申请为__old_capacity的2倍大小的内存，最大只能申请max_size()
* 注释只是说了常见的内存分配大小思想，不全是下面代码的意思，具体可以直接看下面这几行代码哈
*/
if (__capacity > __old_capacity && __capacity < 2 * __old_capacity) {
__capacity = 2 * __old_capacity;
// Never allocate a string bigger than max_size.
if (__capacity > max_size()) __capacity = max_size();
}
/**
* 使用内存分配子去分配__capacity+1大小的内存，+1是为了多存储个\0
*/
return _Alloc_traits::allocate(_M_get_allocator(), __capacity + 1);
}

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再分析下内部的内存释放函数_M_dispose函数:

/**
* 如果当前指向的是本地内存那15个字节，则不需要释放
* 如果不是，则需要使用_M_destroy去释放其指向的内存
*/
void _M_dispose() {
if (!_M_is_local()) _M_destroy(_M_allocated_capacity);
}
/**
* 判断下当前内部指向的是不是本地内存
* _M_local_data()即返回_M_local_buf的地址
*/
bool _M_is_local() const { return _M_data() == _M_local_data(); }
void _M_destroy(size_type __size) throw() {
_Alloc_traits::deallocate(_M_get_allocator(), _M_data(), __size + 1);
}

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再分析下basic_string的拷贝构造函数：

/**
* basic_string的拷贝构造函数
* 其实就是每次都做一次深拷贝
*/
basic_string(const basic_string& __str)
: _M_dataplus(_M_local_data(), _Alloc_traits::_S_select_on_copy(__str._M_get_allocator())) {
_M_construct(__str._M_data(), __str._M_data() + __str.length());
}

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再分析下basic_string的赋值构造函数：

/**
* 赋值构造函数，调用了assign函数
*/
basic_string& operator=(const basic_string& __str) { return this->assign(__str); }
/**
* 调用了_M_assign函数
*/
basic_string& assign(const basic_string& __str) {
this->_M_assign(__str);
return *this;
}
/**
* 赋值的核心函数
*/
template <typename _CharT, typename _Traits, typename _Alloc>
void basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::_M_assign(const basic_string& __str) {
if (this != &__str) {
const size_type __rsize = __str.length();
const size_type __capacity = capacity();
/**
* 如果capacity不够用，需要进行重新分配
*/
if (__rsize > __capacity) {
size_type __new_capacity = __rsize;
pointer __tmp = _M_create(__new_capacity, __capacity);
_M_dispose();
_M_data(__tmp);
_M_capacity(__new_capacity);
}
/**
* 将__str指向的内存拷贝到当前对象指向的内存上
*/
if (__rsize) this->_S_copy(_M_data(), __str._M_data(), __rsize);
_M_set_length(__rsize);
}
}

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再分析下移动构造函数：

/**
* 移动构造函数，其实就是把src指向的内存移动到了dst种
*/
basic_string(basic_string&& __str) noexcept : _M_dataplus(_M_local_data(), std::move(__str._M_get_allocator())) {
if (__str._M_is_local()) {
traits_type::copy(_M_local_buf, __str._M_local_buf, _S_local_capacity + 1);
} else {
_M_data(__str._M_data());
_M_capacity(__str._M_allocated_capacity);
}
// Must use _M_length() here not _M_set_length() because
// basic_stringbuf relies on writing into unallocated capacity so
// we mess up the contents if we put a '\0' in the string.
_M_length(__str.length());
__str._M_data(__str._M_local_data());
__str._M_set_length(0);
}

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移动赋值函数和移动构造函数类似，就不作过多分析啦。

COW方式下string的实现

先看下部分源代码了解下COW的basic_string的结构：

template <typename _CharT, typename _Traits, typename _Alloc>
class basic_string {
private:
struct _Rep_base {
/**
* string实际数据的大小
* 字符串真正存储的是正常字符串数据加上一个\0，真正的长度其实是_M_length+1
*/
size_type _M_length;
/**
* string当前已经分配了的内存大小
* _M_capacity一定不小于_M_length，内存分配总是以_M_capacity+1为单位
*/
size_type _M_capacity;
/**
* _M_refcount表示string的引用计数，取值可以分为三种：
* -1：可能内存泄漏，有一个变量指向字符串，字符串可以被更改，不允许拷贝，当
* _M_refcount为-1时，表示这个string对象不会再和其它string对象共享啦。
* 0：有一个变量指向字符串，字符串可以被更改。
* n>=1：有n+1个变量指向字符串，对该字符串操作时应该加锁，字符串不可以被更改。
*/
_Atomic_word _M_refcount;
};
/**
* _Rep继承自_Rep_base
* 主要目的就是继承_Rep_base的三个成员_M_length、_M_capacity、_M_refcount
*/
struct _Rep : _Rep_base {
// Types:
typedef typename _Alloc::template rebind<char>::other _Raw_bytes_alloc;
static const size_type _S_max_size;
static const _CharT _S_terminal; // \0
static size_type _S_empty_rep_storage[]; // 这里大小不是0，稍后分析
static _Rep& _S_empty_rep() _GLIBCXX_NOEXCEPT {
// NB: Mild hack to avoid strict-aliasing warnings. Note that
// _S_empty_rep_storage is never modified and the punning should
// be reasonably safe in this case.
void* __p = reinterpret_cast<void*>(&_S_empty_rep_storage);
return *reinterpret_cast<_Rep*>(__p);
}
};
// Use empty-base optimization: http://www.cantrip.org/emptyopt.html
struct _Alloc_hider : _Alloc {
_Alloc_hider(_CharT* __dat, const _Alloc& __a) _GLIBCXX_NOEXCEPT : _Alloc(__a), _M_p(__dat) {}
_CharT* _M_p; // The actual data，这里的_M_p指向存储实际数据的对象地址
};
public:
static const size_type npos = static_cast<size_type>(-1); // 0xFFFFFFFF
private:
/**
* _M_dataplus是basic_string内部唯一的一个成员变量，
* 内部有个_M_p成员，指向存储实际的数据的对象，是_Rep对象的指针
*/
mutable _Alloc_hider _M_dataplus;
};

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具体分析可以看代码中注释，可以分析出COW的string结构如图：

前面程序喵分析过深拷贝方式下string的局部内存为M_local_buf，那COW下string的S_empty_rep_storage是什么样子呢？直接看源代码：

// Linker sets _S_empty_rep_storage to all 0s (one reference, empty string)
// at static init time (before static ctors are run).
template <typename _CharT, typename _Traits, typename _Alloc>
typename basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::size_type basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::_Rep::
_S_empty_rep_storage[(sizeof(_Rep_base) + sizeof(_CharT) + sizeof(size_type) - 1) / sizeof(size_type)];

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再分析下构造函数：

/**
* 使_M_dataplus指向_S_construct函数返回的内存
*/
template <typename _CharT, typename _Traits, typename _Alloc>
basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::basic_string(const _CharT* __s, size_type __n, const _Alloc& __a)
: _M_dataplus(_S_construct(__s, __s + __n, __a), __a) {}
/**
* 返回一段内存，这段内存可以是本地空字符的内存，也可以是内存分配单元分配的内存
*/
template <typename _CharT, typename _Traits, typename _Alloc>
template <typename _InIterator>
_CharT* basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::_S_construct(_InIterator __beg, _InIterator __end, const _Alloc& __a,
input_iterator_tag) {
#if _GLIBCXX_FULLY_DYNAMIC_STRING == 0
if (__beg == __end && __a == _Alloc()) return _S_empty_rep()._M_refdata();
#endif
// Avoid reallocation for common case.
_CharT __buf[128];
size_type __len = 0;
while (__beg != __end && __len < sizeof(__buf) / sizeof(_CharT)) {
__buf[__len++] = *__beg;
++__beg;
}
/**
* len < 128字节时，分配len字节
* 否则，以128为单位，每次扩容2倍大小
* 稍后相信分析
*/
_Rep* __r = _Rep::_S_create(__len, size_type(0), __a);
/**
* 将__buf指向的内存拷贝到数据真实存放的地址，_M_refdata()指向数据真实存放的地址
* _M_refdata()函数实现如下，可以通过上面画的string结构图分析：
* _CharT* _M_refdata() throw() { return reinterpret_cast<_CharT*>(this + 1); }
* this+1就是数据真正的地址，这里的1代表sizeof(_Rep)
*/
_M_copy(__r->_M_refdata(), __buf, __len);
__try {
/**
* 这里的扩容机制和上面介绍的相同，这里就不过多介绍
*/
while (__beg != __end) {
if (__len == __r->_M_capacity) {
// Allocate more space.
_Rep* __another = _Rep::_S_create(__len + 1, __len, __a);
_M_copy(__another->_M_refdata(), __r->_M_refdata(), __len);
__r->_M_destroy(__a);
__r = __another;
}
__r->_M_refdata()[__len++] = *__beg;
++__beg;
}
}
__catch(...) {
__r->_M_destroy(__a);
__throw_exception_again;
}
/**
* 设置string的长度，同时设置该string是可共享的，稍后分析
*/
__r->_M_set_length_and_sharable(__len);
return __r->_M_refdata();
}

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再看下string内部_M_create是如何申请内存的

template <typename _CharT, typename _Traits, typename _Alloc>
typename basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::_Rep* basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::_Rep::_S_create(
size_type __capacity, size_type __old_capacity, const _Alloc& __alloc) {
if (__capacity > _S_max_size) __throw_length_error(__N("basic_string::_S_create"));
/**
* __pagesize是页的大小，每次内存分配的最小单位
* __malloc_header_zize是malloc分配内存额外需要的空间，存储内存实际的长度信息
*/
const size_type __pagesize = 4096;
const size_type __malloc_header_size = 4 * sizeof(void*);
/**
* 每次两倍扩容
*/
if (__capacity > __old_capacity && __capacity < 2 * __old_capacity) __capacity = 2 * __old_capacity;
/**
* 看了前面的结构图您应该就能明白为什么是这么计算，这里的+1是存储字符串的结束符
*/
size_type __size = (__capacity + 1) * sizeof(_CharT) + sizeof(_Rep);
/**
* 因为内存是以页为基本单位分配的，所以这里做了一些优化，保证分配内存的大小是内存页的整数倍
*/
const size_type __adj_size = __size + __malloc_header_size;
if (__adj_size > __pagesize && __capacity > __old_capacity) {
const size_type __extra = __pagesize - __adj_size % __pagesize;
__capacity += __extra / sizeof(_CharT);
// Never allocate a string bigger than _S_max_size.
if (__capacity > _S_max_size) __capacity = _S_max_size;
__size = (__capacity + 1) * sizeof(_CharT) + sizeof(_Rep);
}
// NB: Might throw, but no worries about a leak, mate: _Rep()
// does not throw.
void* __place = _Raw_bytes_alloc(__alloc).allocate(__size);
/**
* 这里是placement new，表示在__place内存位置处调用_Rep构造函数
*/
_Rep* __p = new (__place) _Rep;
__p->_M_capacity = __capacity;
/**
* 设置其可共享，实现如下
* void _M_set_sharable() _GLIBCXX_NOEXCEPT { this->_M_refcount = 0; }
*/
__p->_M_set_sharable();
return __p;
}
这里有关于malloc的知识点可以看我之前写的文章：xxx前面Rep有个_M_set_length_and_sharable方法，看下它的源码：
/**
* 如果当前内存指向地址是本地内存则什么都不做，否则
* 设置长度为n
* 设置其可共享，其实就是设置引用计数为0
* 同时在最后添加一个结束符\0
*/
void _M_set_length_and_sharable(size_type __n) _GLIBCXX_NOEXCEPT {
#if _GLIBCXX_FULLY_DYNAMIC_STRING == 0
if (__builtin_expect(this != &_S_empty_rep(), false))
#endif
{
this->_M_set_sharable(); // One reference.
this->_M_length = __n;
traits_type::assign(this->_M_refdata()[__n], _S_terminal);
}
}
void _M_set_sharable() _GLIBCXX_NOEXCEPT { this->_M_refcount = 0; }

复制代码

COW版本主要就是为了避免过多的拷贝，这里看下string的拷贝构造函数：

/**
* 这里是string的构造函数，主要是调用_Rep的_M_grab函数
*/
basic_string(const basic_string& __str, const _Alloc& __a)
: _M_dataplus(__str._M_rep()->_M_grab(__a, __str.get_allocator()), __a) {}
/**
* 前面已经介绍过为什么+1，这里您应该就知道为什么-1啦
*/
_Rep* _M_rep() const _GLIBCXX_NOEXCEPT { return &((reinterpret_cast<_Rep*>(_M_data()))[-1]); }
/**
* _M_grab函数决定是将引用计数+1还是拷贝一份
* 如果_M_is_leaked()表示不可以共享，则需要拷贝一份
*/
_CharT* _M_grab(const _Alloc& __alloc1, const _Alloc& __alloc2) {
return (!_M_is_leaked() && __alloc1 == __alloc2) ? _M_refcopy() : _M_clone(__alloc1);
}
/**
* 如果引用计数小于0，则为true，前面有过约定
*/
bool _M_is_leaked() const _GLIBCXX_NOEXCEPT {
#if defined(__GTHREADS)
// _M_refcount is mutated concurrently by _M_refcopy/_M_dispose,
// so we need to use an atomic load. However, _M_is_leaked
// predicate does not change concurrently (i.e. the string is either
// leaked or not), so a relaxed load is enough.
return __atomic_load_n(&this->_M_refcount, __ATOMIC_RELAXED) < 0;
#else
return this->_M_refcount < 0;
#endif
}
/**
* 引用拷贝，其实就是引用计数+1
*/
_CharT* _M_refcopy() throw() {
#if _GLIBCXX_FULLY_DYNAMIC_STRING == 0
if (__builtin_expect(this != &_S_empty_rep(), false))
#endif
__gnu_cxx::__atomic_add_dispatch(&this->_M_refcount, 1);
return _M_refdata();
} // XXX MT
/**
* 深拷贝
*/
template <typename _CharT, typename _Traits, typename _Alloc>
_CharT* basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::_Rep::_M_clone(const _Alloc& __alloc, size_type __res) {
// Requested capacity of the clone.
const size_type __requested_cap = this->_M_length + __res;
_Rep* __r = _Rep::_S_create(__requested_cap, this->_M_capacity, __alloc);
if (this->_M_length) _M_copy(__r->_M_refdata(), _M_refdata(), this->_M_length);
__r->_M_set_length_and_sharable(this->_M_length);
return __r->_M_refdata();
}
再分析下string的析构函数：
/**
* string的析构函数，调用了_M_dispose函数
*/
~basic_string() _GLIBCXX_NOEXCEPT { _M_rep()->_M_dispose(this->get_allocator()); }
/**
* 将引用计数-1，如果引用计数 <= 0，则释放内存
*/
void _M_dispose(const _Alloc& __a) _GLIBCXX_NOEXCEPT {
#if _GLIBCXX_FULLY_DYNAMIC_STRING == 0
if (__builtin_expect(this != &_S_empty_rep(), false))
#endif
{
// Be race-detector-friendly. For more info see bits/c++config.
_GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_BEFORE(&this->_M_refcount);
if (__gnu_cxx::__exchange_and_add_dispatch(&this->_M_refcount, -1) <= 0) {
_GLIBCXX_SYNCHRONIZATION_HAPPENS_AFTER(&this->_M_refcount);
_M_destroy(__a);
}
}
} // XXX MT
template <typename _CharT, typename _Traits, typename _Alloc>
void basic_string<_CharT, _Traits, _Alloc>::_Rep::_M_destroy(const _Alloc& __a) throw() {
const size_type __size = sizeof(_Rep_base) + (this->_M_capacity + 1) * sizeof(_CharT);
_Raw_bytes_alloc(__a).deallocate(reinterpret_cast<char*>(this), __size);
}

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data()和c_str()的区别我们以前学习工作过程中都知道str有data和c_str函数，看资料都说它们的区别是一个带\0结束符，一个不带。这里看下源码：

const _CharT* c_str() const _GLIBCXX_NOEXCEPT { return _M_data(); }
const _CharT* data() const _GLIBCXX_NOEXCEPT { return _M_data(); }

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这里可以看见它俩没有任何区别，因为\0结束符其实在最开始构造string对象的时候就已经添加啦。

to_string是怎么实现的？

这里直接看代码：

inline string to_string(int __val) {
return __gnu_cxx::__to_xstring<string>(&std::vsnprintf, 4 * sizeof(int), "%d", __val);
}
inline string to_string(unsigned __val) {
return __gnu_cxx::__to_xstring<string>(&std::vsnprintf, 4 * sizeof(unsigned), "%u", __val);
}
inline string to_string(long __val) {
return __gnu_cxx::__to_xstring<string>(&std::vsnprintf, 4 * sizeof(long), "%ld", __val);
}
template <typename _String, typename _CharT = typename _String::value_type>
_String __to_xstring(int (*__convf)(_CharT*, std::size_t, const _CharT*, __builtin_va_list), std::size_t __n,
const _CharT* __fmt, ...) {
// XXX Eventually the result should be constructed in-place in
// the __cxx11 string, likely with the help of internal hooks.
_CharT* __s = static_cast<_CharT*>(__builtin_alloca(sizeof(_CharT) * __n));
__builtin_va_list __args;
__builtin_va_start(__args, __fmt);
const int __len = __convf(__s, __n, __fmt, __args);
__builtin_va_end(__args);
return _String(__s, __s + __len);
}