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C++淺拷貝與深拷貝及引用計數分析

作者：aidear_evo

C++淺拷貝與深拷貝及引用計數分析

在C++開發中，經常遇到的一個問題就是與指針相關的內存管理問題，稍有不慎，就會造成內存洩露、內存破壞等嚴重的問題。不像Java一樣，沒有指針這個概念，所以也就不必擔心與指針相關的一系列問題，但C++不同，從C語言沿襲下來的指針是其一大特點，我們常常要使用new/delete來動態管理內存，那麼問題來了，特別是伴隨著C++的繼承機制，如野指針、無效指針使用、內存洩露、double free、堆碎片等等，這些問題就像地雷一樣，一不小心就會踩那麼幾顆。

先來談一下C++類中常見的淺拷貝問題，以及由此引發的double free。什麼是淺拷貝？當類中的成員變量包括指針時，而又沒有定義自己的拷貝構造函數，那麼在拷貝一個對象的情況下，就會調用其默認拷貝構造函數，其實這個函數沒做什麼事，只是對其成員變量作了個簡單的拷貝，也就是所謂的位拷貝，它們指向的還是同一個存儲空間，當對象析構時，就會析構多次，也就是double free，下面舉例說明。

class Common
{
public:
  Common()
  {
    std::cout << "Common::Common" << std::endl;
  }

  Common(const Common &r)
  {
    std::cout << "Common::Common copy-constructor" << std::endl;
  }

  ~Common()
  {
    std::cout << "Common::~Common" << std::endl;
  }
};

類Common是個一般的類，定義了構造、拷貝構造和析構函數，在函數裡輸出一些log，用以跟蹤函數調用情況。

class BitCopy
{
public:
  BitCopy()
    : m_p(new Common)
  {
    std::cout << "BitCopy::BitCopy" << std::endl;
  }

  ~BitCopy()
  {
    std::cout << "BitCopy::~BitCopy" << std::endl;
    if (m_p) {
      delete m_p;
      m_p = NULL;
    }
  }

private:
  Common *m_p;
};

類BitCopy就是一個淺拷貝類，成員變量是我們剛定義的類指針，構造函數實例化成員變量，析構函數delete成員變量，沒有定義拷貝構造函數。

int main()
{
  BitCopy a;
  BitCopy b(a);
  return 0;
}
log如下：
Common::Common
BitCopy::BitCopy
BitCopy::~BitCopy
Common::~Common
BitCopy::~BitCopy
Common::~Common
*** Error in `./a.out': double free or corruption (fasttop): 0x0000000001f4e010 ***
已放棄 (核心已轉儲)

從上面的log可以看出，對象a調用了構造函數，對象b調用的是默認拷貝構造函數，最後析構了兩次，從而造成double free，核心已轉儲即core dump。

針對以上問題，該怎麼解決呢？有兩個辦法，一個是深拷貝，一個是引用計數。先來看一下深拷貝，深拷貝要定義自己的拷貝構造函數，在函數中給成員變量重新分配存儲空間，也就是所謂的值拷貝，這樣它們所指向的就是不同的存儲空間，析構時不會有問題，但這種方法只適用於較小的數據結構，如果數據結構過大，多次分配存儲空間之後，剩余的存儲空間將逐漸減小，

下面看個例子。

class ValueCopy
{
public:
  ValueCopy()
    : m_p(new Common)
  {
    std::cout << "ValueCopy::ValueCopy" << std::endl;
  }

  ValueCopy(const ValueCopy &r)
    : m_p(new Common(*r.m_p))
  {
    std::cout << "ValueCopy::ValueCopy copy-constructor" << std::endl;
  }

  ~ValueCopy()
  {
    std::cout << "ValueCopy::~ValueCopy" << std::endl;
    if (m_p) {
      delete m_p;
      m_p = NULL;
    }
  }

private:
  Common *m_p;
};

類ValueCopy是個深拷貝類，與上面例子的淺拷貝類不同的是定義了拷貝構造函數，在函數中給成員變量重新分配存儲空間，下面是用法及log。

int main()
{
  ValueCopy c;
  ValueCopy d(c);
  return 0;
}
Common::Common
ValueCopy::ValueCopy
Common::Common copy-constructor
ValueCopy::ValueCopy copy-constructor
ValueCopy::~ValueCopy
Common::~Common
ValueCopy::~ValueCopy
Common::~Common

從上面的log可以看出，對象c調用了構造函數，對象d調用的是自定義拷貝構造函數，最後析構了兩次而沒有問題，可見深拷貝的用處所在。

引用計數與深拷貝不同，方法是共享同一塊存儲空間，這個對大的數據結構比較有利。使用引用計數，需要在類中定義一個成員變量專門用於計數，初始值為1，後面引用了這個對象就加1，對象銷毀時引用減1，但並不真正的delete這個對象，只有當這個成員變量的值為0時才進行delete，例子如下。

class A
{
public:
  A()
    : m_refCount(1)
  {
    std::cout << "A::A" << std::endl;
  }

  A(const A &r)
    : m_refCount(1)
  {
    std::cout << "A::A copy-constructor" << std::endl;
  }

  ~A()
  {
    std::cout << "A::~A" << std::endl;
  }

  void attach()
  {
    std::cout << "A::attach" << std::endl;
    ++m_refCount;
  }

  void detach()
  {
    if (m_refCount != 0) {
      std::cout << "A::detach " << m_refCount << std::endl;
      if (--m_refCount == 0) {
        delete this;
      }
    }
  }

private:
  int m_refCount;
};

class B
{
public:
  B()
    : m_pA(new A)
  {
    std::cout << "B::B" << std::endl;
  }

  B(const B &r)
    : m_pA(r.m_pA)
  {
    std::cout << "B::B copy-constructor" << std::endl;
    m_pA->attach();
  }

  ~B()
  {
    std::cout << "B::~B" << std::endl;
    m_pA->detach();
  }

private:
  A* m_pA;
};

類A用到了引用計數，構造和拷貝構造函數都初始化為1，attach()函數為引用加1，detach()函數為引用減1，當引用計數值為0時delete對象。類B中的成員變量有個指針指向A，拷貝構造函數中調用了attach()，析構函數中調用了detach()，這樣也是一種保護，不會有內存洩露，也不會有double free，log如下。

int main()
{
  B e;
  B f(e);
  return 0;
}
A::A
B::B
B::B copy-constructor
A::attach
B::~B
A::detach 2
B::~B
A::detach 1
A::~A

從log中可以看出，指針成員變量的引用計數為2，這是正確的，最後正確delete，沒有問題。

在類中只要有指針成員變量，就要注意以上問題，另外，operator=這個賦值操作符也要在適當的時候進行重載。有時候，如果想規避以上問題，可以聲明拷貝構造函數和operator=操作符為private而不去實現它們。

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