[OOD-More C++ Idioms] 寫時拷貝 (Copy on Write)

[OOD-More C++ Idioms] 寫時拷貝 (Copy on Write)

目的

達到延遲拷貝(lazy copy)的優化目的。和延遲初始化(lazy initialization)相似, 選擇在恰當的時機更加有效。

別名

動機

拷貝對象有時會帶來性能損失(performance penalty)。如果對象經常拷來拷去，但以很少修改，copy-on-write就能明顯地提升性能。為了實現copy-on-write, 需要使用一個智能指針將真正的對象值封裝起來，每次修改時都要檢查一下對象的引用計數。如果對象被多次引用，就在修改前創建一個復本。

解決方案及示例

#ifndef COWPTR_HPP
#define COWPTR_HPP

#include 

template 
class CowPtr
{
    public:
        typedef std::shared_ptr RefPtr;

    private:
        RefPtr m_sp;

        void detach()
        {
            T* tmp = m_sp.get();
            if( !( tmp == 0 || m_sp.unique() ) ) {
                m_sp = RefPtr( new T( *tmp ) );
            }
        }

    public:
        CowPtr(T* t)
            :   m_sp(t)
        {}
        CowPtr(const RefPtr& refptr)
            :   m_sp(refptr)
        {}
        const T& operator*() const
        {
            return *m_sp;
        }
        T& operator*()
        {
            detach();
            return *m_sp;
        }
        const T* operator->() const
        {
            return m_sp.operator->();
        }
        T* operator->()
        {
            detach();
            return m_sp.operator->();
        }
};

#endif

譯注:原文代碼使用boost庫，都改為std的實現了。

這是一個簡單的實現版本。除了必須通過智能指針解引用(dereferencing)來引用其內部對象有點不太方便外，還至少有一個缺點:類可以返回內部狀態的引用:
char & String::operator[](int)
這樣會帶有一些無法預期的行為。

考慮下面的代碼段:

CowPtr s1 = new std::string(Hello);
char &c = s1->operator[](4); // 非常量的detach操作什麼也不做
CowPtr s2(s1); // 延遲拷貝，共享的狀態
c = '!'; // 悲催啦

最後一行原本要修改原始的字串s1, 而不是它的復本s2，而事實上s2也被修改了。

一個比較好的做法是寫一個自定義的copy-on-write實現，封裝需要延時拷貝(lazy-copy)的類，並且保持對用戶透明。為了解決上面的問題，可以標記對象為”不可共享(unshareable)”狀態表示已經交出了對內存對象的引用，也就是強制進行深度拷貝。進一步優化，可以在那些不會放棄內部對象引用的non-const操作後恢復為”共享(shareable)”狀態，(比如, `void string::clear()))，因為客戶端代碼期望這些引用都會失效。

譯注:這一部分說得不清楚。標記對象為不可共享，比如上面例子中，取出字符c後設為不可共享，再建構s2時直接進行深拷貝。另外說在non-const操作沒有放棄內部對象，指的是這類操作創建了一個復本，這時候的原來的對象可以更新為shareable。