参考

https://joellaity.com/2020/01/31/string.html

std::string 是 std::basic_string<> 的一个特化，该类的 value_type 是 char。本文虽然是讨论 std::basic_string<> 的实现方式，但是为了方便，假设 value_type 是 char、假设目标平台是 64 位，讨论时也将把 std::basic_string<> 和 std::string 互用。

libstdc++

libstdc++ 是 gcc 所用的标准库实现，也是 clang 在不提供 -stdlib=... 选项下的默认标准库实现。在 64 位环境下，libstdc++ 中的 std::string 占用 32 个字节。

std::string 把 capacity + size + pointer 三元组的 capacity 改成了 buffer 和 capacity 的联合体，其中 buffer 大小为 16 字节，可以容纳除去 \0 的 15 个字符。当 size 小于等于临界值时，联合体存储的就是 buffer，否则是 capacity。

pointer + union{buffer(16B), capacity} + size

在这样的实现下，std::string 最终的大小是 32 字节，SSO 容量为 15 个字节。访问 capacity 需要先确定是否是本地存储，有条件判断的过程；访问 size 和 pointer 则是直接获取，当字符串本地存储时 pointer 指向字符串内的 buffer。

libc++

libc++ 中 std::string 有 long mode 和 short mode 两种模式，因此有一个模式标记位。下面讨论小端，大端有另外的适配逻辑，但是总体上类似。

在 short mode（即 SSO 模式）下，布局是 size + buffer，并且 size 的最不重要位（least significant bit）作为模式标记为，存储 0。模式标志位的存在使得存储字符串实际大小时，需要将大小值左移 1 位，因此只有 7 位可用（最大 127，已经超过 std::string 大小，够用了）。

size(1B) + buffer(23B)
      ^ flag bit

在 long mode 下，使用 capacity + size + pointer 的经典布局。capacity 的最不重要字节的最不重要位作为模式标记，存储 1。此时，真实的容量是 capacity 去掉末尾 0，这同时意味着每次动态分配内存时，申请的字节数得是 2 的倍数，这是很容易办到的（数学上最多浪费 2-1=1 个字节，实际上字符串是倍增申请，所以完全不会浪费字节）。

capacity + size + pointer
       ^ flag bit

为了保证模式位在两种模式下的存储位置相同，大小端需要做不同的处理。我们希望这个模式位处在 capacity 的最不重要字节，又希望 short mode 中 buffer 连续，因此在大端平台上，long mode 的 capacity 排在开头，short mode 的 size 是字符串中地址最小的字节；在小端平台上，long mode 的 capacity 排在数据域的结尾，short mode 的 size 是字符串中地址最大的字节。

因此，libc++ 中 std::string 占用 24 个字节，同时 SSO 字符数是 22（去掉 \0）。在访问 size、capacity、pointer 前都需要确定 long mode 还是 short mode，多了 1 次判断过程。

验证 SSO 边界

libstdc++

#include <string>
// clang++ main.cc -o main && valgrind ./main
int main () {
    std::string s(15, 'a'); // 修改成 16 再试一次
}

libc++

#include <string>
// clang++ main.cc -o main -stdlib=libc++ && valgrind ./main
int main () {
    std::string s(22, 'a'); // 修改成 23 再试一次
}