尺度C++類string的Copy-On-Write技巧。本站提示廣大學習愛好者：（尺度C++類string的Copy-On-Write技巧）文章只能為提供參考，不一定能成為您想要的結果。以下是尺度C++類string的Copy-On-Write技巧正文
尺度C＋＋類std::string的內存同享和Copy-On-Write技巧 陳皓
1、概念
Scott Meyers在《More Effective C++》及第了個例子，不知你能否還記得？在你還在上學的時刻，你的怙恃要你不要看電視，而去溫習作業，因而你把本身關在房間裡，做出一副正在溫習作業的模樣，其實你在干著其余諸如給班上的某位女生寫情書之類的事，而一旦你的怙恃出來在你房間要檢討你能否在溫習時，你才真正撿起教材看書。這就是“遷延戰術”，直到你非要做的時刻才去做。
固然，這類工作在實際生涯中時常常會失事，但其在編程世界中搖身一變，就成了最有效的技巧，正如C++中的可以到處聲明變量的特色一樣，Scott Meyers推舉我們，在真正須要一個存儲空間時才去聲明變量（分派內存），如許會獲得法式在運轉時最小的內存花消。履行到那才會去做分派內存這類比擬耗時的任務，這會給我們的法式在運轉時有比擬好的機能。必竟，20%的法式運轉了80%的時光。
固然，遷延戰術還其實不只是如許一品種型，這類技巧被我們普遍地運用著，特殊是在操作體系傍邊，當一個法式運轉停止時，操作體系其實不會急著把其消除出內存，緣由是有能夠法式還會立時再運轉一次（從磁盤把法式裝入到內存是個很慢的進程），而只要當內存不敷用了，才會把這些還駐留內存的法式清出。
寫時才拷貝（Copy-On-Write）技巧，就是編程界“懶散行動”——遷延戰術的產品。舉個例子，好比我們有個法式要寫文件，赓續地依據收集傳來的數據寫，假如每次fwrite或是fprintf都要停止一個磁盤的I/O操作的話，都的確就是機能上偉大的喪失，是以平日的做法是，每次寫文件操作都寫在特定年夜小的一塊內存中（磁盤緩存），只要當我們封閉文件時，才寫到磁盤上（這就是為何假如文件不封閉，所寫的器械會喪失的緣由）。更有甚者是文件封閉時都不寫磁盤，而一向比及關機或是內存不敷時才寫磁盤，Unix就是如許一個體系，假如非正常加入，那末數據就會喪失，文件就會破壞。
呵呵，為了機能我們須要冒如許年夜的風險，還好我們的法式是不會忙得忘了還有一塊數據須要寫到磁盤上的，所以這類做法，照樣很有需要的。
2、尺度C++類std::string的Copy-On-Write
在我們常常應用的STL尺度模板庫中的string類，也是一個具有寫時才拷貝技巧的類。C++曾在機能成績上被普遍地質疑和責備過，為了進步機能，STL中的很多類都采取了Copy-On-Write技巧。這類偷懶的行動切實其實使應用STL的法式有著比擬高要機能。
這裡，我想從C++類或是設計形式的角度為列位揭開Copy-On-Write技巧在string中完成的面紗，以供列位在用C++停止類庫設計時做一點參考。
在講述這項技巧之前，我想簡略地解釋一下string類內存分派的概念。經由過程常，string類中必有一個公有成員，其是一個char*，用戶記載從堆上分派內存的地址，其在結構時分派內存，在析構時釋放內存。由於是從堆上分派內存，所以string類在保護這塊內存上是非分特別當心的，string類在前往這塊內存地址時，只前往const char*，也就是只讀的，假如你要寫，你只能經由過程string供給的辦法停止數據的改寫。
2.1、特征
由表及裡，由理性到感性，我們先來看一看string類的Copy-On-Write的外面特點。讓我們寫下上面的一段法式：
#include
#include
using namespace std;
main()
{
string str1 = "hello world";
string str2 = str1;
printf ("Sharing the memory:/n");
printf ("/tstr1's address: %x/n", str1.c_str() );
printf ("/tstr2's address: %x/n", str2.c_str() );
str1[1]='q';
str2[1]='w';
printf ("After Copy-On-Write:/n");
printf ("/tstr1's address: %x/n", str1.c_str() );
printf ("/tstr2's address: %x/n", str2.c_str() );
return 0;
}
這個法式的意圖就是讓第二個string經由過程第一個string結構，然後打印出其寄存數據的內存地址，然後分離修正str1和str2的內容，再查一下其寄存內存的地址。法式的輸入是如許的（我在VC6.0和g++ 2.95都獲得了異樣的成果）：
> g++ -o stringTest stringTest.cpp
> ./stringTest
Sharing the memory:
str1's address: 343be9
str2's address: 343be9
After Copy-On-Write:
str1's address: 3407a9
str2's address: 343be9
從成果中我們可以看到，在開端的兩個語句後，str1和str2寄存數據的地址是一樣的，而在修正內容後，str1的地址產生了變更，而str2的地址照樣本來的。從這個例子，我們可以看到string類的Copy-On-Write技巧。
2.2、深刻
在深刻這前，經由過程上述的演示，我們應當曉得在string類中，要完成寫時才拷貝，須要處理兩個成績，一個是內存同享，一個是Copy-On-Wirte，這兩個主題會讓我們發生很多疑問，照樣讓我們帶著如許幾個成績來進修吧：
1、 Copy-On-Write的道理是甚麼？
2、 string類在甚麼情形下才同享內存的？
3、 string類在甚麼情形下觸發寫時才拷貝（Copy-On-Write）?
4、 Copy-On-Write時，產生了甚麼？
5、 Copy-On-Write的詳細完成是怎樣樣的？
喔，你說只需看一看STL中stirng的源碼你便可以找到謎底了。固然，固然，我也是參考了string的父模板類basic_string的源碼。然則，假如你覺得看STL的源碼就似乎看機械碼，並嚴重襲擊你對C++自負心，甚至發生了本身能否懂C++的疑問，假如你有如許的感到，那末照樣持續往下看我的這篇文章吧。
OK，讓我們一個成績一個成績地商量吧，漸漸地一切的技巧細節都邑浮出水面的。
2.3、Copy-On-Write的道理是甚麼？
有必定經歷的法式員必定曉得，Copy-On-Write必定應用了“援用計數”，是的，必定有一個變量相似於RefCnt。當第一個類結構時，string的結構函數會依據傳入的參數從堆上分派內存，當有其它類須要這塊內存時，這個計數為主動累加，當有類析構時，這個計數會減一，直到最初一個類析構時，此時的RefCnt為1或是0，此時，法式才會真實的Free這塊從堆上分派的內存。
是的，援用計數就是string類中寫時才拷貝的道理！
不外，成績又來了，這個RefCnt該存在在哪裡呢？假如寄存在string類中，那末每一個string的實例都有各自的一套，基本不克不及共有一個RefCnt，假如是聲明玉成局變量，或是靜態成員，那就是一切的string類同享一個了，這也不可，我們須要的是一個“平易近主和集中”的一個處理辦法。這是若何做到的呢？呵呵，人生就是一個懵懂後去探知，曉得後和又懵懂的輪回進程。別急別急，在前面我會給你逐個道來的。
2.3.1、 string類在甚麼情形下才同享內存的？
這個成績的謎底應當是顯著的，依據常理和邏輯，假如一個類要用另外一個類的數據，那便可以同享被應用類的內存了。這是很公道的，假如你不消我的，那就不消同享，只要你應用我的，才產生同享。
應用其余類的數據時，不過有兩種情形，1）以其余類結構本身，2）以其余類賦值。第一種情形時會觸發拷貝結構函數，第二種情形會觸發賦值操作符。這兩種情形我們都可以在類中完成其對應的辦法。關於第一種情形，只須要在string類的拷貝結構函數中做點處置，讓其援用計數累加；異樣，關於第二種情形，只須要重載string類的賦值操作符，異樣在個中加上一點處置。
絮聒幾句：
1）結構和賦值的差異
關於後面誰人例程中的這兩句：
string str1 = "hello world";
string str2 = str1;
不要認為有“=”就是賦值操作，其實，這兩條語句等價於：
string str1 ("hello world"); //挪用的是結構函數
string str2 (str1); //挪用的是拷貝結構函數
假如str2是上面的如許情形：
string str2; //挪用參數默許為空串的結構函數：string str2(“”);
str2 = str1; //挪用str2的賦值操作：str2.operator=(str1);
2) 另外一種情形
char tmp[]=”hello world”;
string str1 = tmp;
string str2 = tmp;
這類情形下會觸發內存的同享嗎？想固然的，應當要同享。可是依據我們後面所說的同享內存的情形，兩個string類的聲明和初始語句其實不相符我前述的兩種情形，所以其其實不產生內存同享。並且，C++現有特征也沒法讓我們做到對這類情形停止類的內存同享。
2.3.2、 string類在甚麼情形下觸發寫時才拷貝（Copy-On-Write）?
哦，甚麼時刻會發明寫時才拷貝？很明顯，固然是在同享統一塊內存的類產生內容轉變時，才會產生Copy-On-Write。好比string類的[]、=、+=、+、操作符賦值，還有一些string類中諸如insert、replace、append等成員函數,包含類的析構時。
修正數據才會觸發Copy-On-Write，不修正固然就不會改啦。這就是托延戰術的真理，非到要做的時刻才去做。
2.3.3、Copy-On-Write時，產生了甚麼？
我們能夠依據誰人拜訪計數來決議能否須要拷貝，參看上面的代碼：
If ( RefCnt>0 ) {
char* tmp = (char*) malloc(strlen(_Ptr)+1);
strcpy(tmp, _Ptr);
_Ptr = tmp;
}
下面的代碼是一個設想的拷貝辦法，假如有其余類在援用（檢討援用計數來獲知）這塊內存，那末就須要把更改類停止“拷貝”這個舉措。
我們可以把這個拷的運轉封裝成一個函數，供那些轉變內容的成員函數應用。
2.3.4、 Copy-On-Write的詳細完成是怎樣樣的？
最初的這個成績，我們重要處理的是誰人“平易近主集中”的困難。請先看上面的代碼：
string h1 = “hello”;
string h2= h1;
string h3;
h3 = h2;
string w1 = “world”;
string w2(“”);
w2=w1;
很顯著，我們要讓h1、h2、h3同享統一塊內存，讓w1、w2同享統一塊內存。由於，在h1、h2、h3中，我們要保護一個援用計數，在w1、w2中我們又要保護一個援用計數。
若何應用一個奇妙的辦法發生這兩個援用計數呢？我們想到了string類的內存是在堆上靜態分派的，既然同享內存的各個類指向的是統一個內存區，我們為何不在這塊區上多分派一點空間來寄存這個援用計數呢？如許一來，一切同享一塊內存區的類都有異樣的一個援用計數，而這個變量的地址既然是在同享區上的，那末一切同享這塊內存的類都可以拜訪到，也就曉得這塊內存的援用者有若干了。
請看下圖：
因而，有了如許一個機制，每當我們為string分派內存時，我們老是要多分派一個空間用來寄存這個援用計數的值，只需產生拷貝結構可是賦值時，這個內存的值就會加一。而在內容修正時，string類為檢查這個援用計數能否為0，假如不為零，表現有人在同享這塊內存，那末本身須要先做一份拷貝，然後把援用計數減去一，再把數據拷貝過去。上面的幾個法式片斷解釋了這兩個舉措：
//結構函數（分存內存）
string::string(const char* tmp)
{
_Len = strlen(tmp);
_Ptr = new char[_Len+1+1];
strcpy( _Ptr, tmp );
_Ptr[_Len+1]=0; // 設置援用計數
}
//拷貝結構（同享內存）
string::string(const string& str)
{
if (*this != str){
this->_Ptr = str.c_str(); //同享內存
this->_Len = str.szie();
this->_Ptr[_Len+1] ++; //援用計數加一
}
}
//寫時才拷貝Copy-On-Write
char& string::operator[](unsigned int idx)
{
if (idx > _Len || _Ptr == 0 ) {
static char nullchar = 0;
return nullchar;
}
_Ptr[_Len+1]--; //援用計數減一
char* tmp = new char[_Len+1+1];
strncpy( tmp, _Ptr, _Len+1);
_Ptr = tmp;
_Ptr[_Len+1]=0; // 設置新的同享內存的援用計數
return _Ptr[idx];
}
//析構函數的一些處置
~string()
{
_Ptr[_Len+1]--; //援用計數減一
// 援用計數為0時，釋放內存
if (_Ptr[_Len+1]==0) {
delete[] _Ptr;
}
}
哈哈，全部技巧細節完整浮出水面。
不外，這和STL中basic_string的完成細節還有一點點差異，在你翻開STL的源碼時，你會發明其取援用計數是經由過程如許的拜訪：_Ptr[-1]，尺度庫中，把這個援用計數的內存分派在了後面（我給出來的代碼是把援用計數分派以了前面，這很欠好），分派在前的利益是當string的長度擴大時，只須要在前面擴大其內存，而不須要挪動援用計數的內存寄存地位，這又節儉了一點時光。
STL中的string的內存構造就像我後面畫的誰人圖一樣，_Ptr指著是數據區，而RefCnt則在_Ptr-1 或是 _Ptr[-1]處。
2.4、臭蟲Bug
是誰說的“有太陽的處所就會有陰郁”？也許我們中的很多人都很科學尺度的器械，以為其是久經考驗，弗成能失足的。呵呵，萬萬不要有這類科學，由於任何設計再好，編碼再好的代碼在某一特定的情形下都邑有Bug，STL異樣如斯，string類的這個同享內存/寫時才拷貝技巧也不破例，並且這個Bug也許還會讓你的全部法式crash失落！
不信？！那末讓我們來看一個測試案例：
假定有一個靜態鏈接庫（叫myNet.dll或myNet.so）中有如許一個函數前往的是string類：
string GetIPAddress(string hostname)
{
static string ip;
……
……
return ip;
}
而你的主法式中靜態地載入這個靜態鏈接庫，並挪用個中的這個函數：
main()
{
//載入靜態鏈接庫中的函數
hDll = LoadLibraray(…..);
pFun = GetModule(hDll, “GetIPAddress”);
//挪用靜態鏈接庫中的函數
string ip = (*pFun)(“host1”);
……
……
//釋放靜態鏈接庫
FreeLibrary(hDll);
……
cout << ip << endl;
}
讓我們來看看這段代碼，法式以靜態方法載入靜態鏈接庫中的函數，然後以函數指針的方法挪用靜態鏈接庫中的函數，並把前往值放在一個string類中，然後釋放了這個靜態鏈接庫。釋放後，輸出ip的內容。
依據函數的界說，我們曉得函數是“值前往”的，所以，函數前往時，必定會挪用拷貝結構函數，又依據string類的內存同享機制，在主法式中變量ip是和函數外部的誰人靜態string變量同享內存（這塊內存區是在靜態鏈接庫的地址空間的）。而我們假定在全部主法式中都沒有對ip的值停止修正過。那末在當主法式釋放了靜態鏈接庫後，誰人同享的內存區也隨之釋放。所以，今後對ip的拜訪，必定做形成內存地址拜訪不法，形成法式crash。即便你在今後沒有應用到ip這個變量，那末在主法式加入時也會產生內存拜訪異常，由於法式加入時，ip會析構，在析構時就會產生內存拜訪異常。
內存拜訪異常，意味著兩件事：1）不管你的法式再英俊，都邑由於這個毛病變得昏暗無光，你的榮譽也會由於這個毛病遭到喪失。2）將來的一段時光，你會被這個體系級毛病所煎熬（在C++世界中，找到並消除這類內存毛病其實不是一件輕易的工作）。這是C/C++法式員永久的心頭之痛，千裡之堤，潰於蟻穴。而假如你不清晰string類的這類特點，在不計其數行代碼中找如許一個內存異常，的確就是一場惡夢。
備注：要糾正上述的Bug，有許多種辦法，這裡供給一種僅供參考：
string ip = (*pFun)(“host1”).cstr();
3、 跋文
文章到這裡也應當停止了，這篇文章的重要有以下幾個目標：
1） 向年夜家引見一下寫時才拷貝/內存同享這類技巧。
2） 以STL中的string類為例，向年夜家引見了一種設計形式。
3） 在C++世界中，不管你的設計怎樣精致，代碼怎樣穩定，都難以照料到一切的情形。智能指針更是一個典范的例子，不管你怎樣設計，都邑有異常嚴重的BUG。
4） C++是一把雙刃劍，只要懂得了道理，你能力更好的應用C++。不然，勢必惹火燒身。假如你在設計和應用類庫時有一種“玩C++就像玩火，必需萬萬當心”的感到，那末你就入門了，等你能把這股“火”掌握的輕車熟路時，那才是學成了。
最初，照樣應用這個後序，引見一下本身。我今朝從事於一切Unix平台下的軟件研發，重要是做體系級的產物軟件研發，關於下一代的盤算機反動——網格盤算異常地感興致，同於關於散布式盤算、P2P、Web Service、J2EE技巧偏向也很感興致，別的，關於項目實行、團隊治理、項目治理也小有心得，願望異樣和我戰役在“技巧和治理偏重”的戰線上的年青一代，可以或許和我多多地交換。我的MSN和郵件是：[email protected]。
