写时拷贝（Copy On Write）方案详解

本文旨在通过对 写时拷贝 的四个方案（Copy On Write）分析，让大家明白写时拷贝的实现及原理。

关于浅拷贝与深拷贝，我在之前的博客中已经阐述过了 

浅拷贝容易出现指针悬挂的问题，深拷贝效率低，但是我们可以应用引用计数来解决浅拷贝中多次析构的问题，写时拷贝也就应运而生了。

首先要清楚写时拷贝是利用浅拷贝来解决问题！！

方案一

class String { private:char* _str;int _refCount; };

方案一最不靠谱，它将用作计数的整形变量_refCount定义为类的私有成员变量，任何一个对象都有它自己的成员变量_refCount，它们互不影响，难以维护。只要拷贝出了对象，_refCount大于了0，每个对象在调用自己的析构函数时--_refCount不等于0，那么它们指向的那块内存都将得不到释放，无法达到我们要的效果。

//以下是对方案一的简单实现，大家可以结合上图感受到方案一的缺陷class String { public:String(char* str = "") //不能strlen（NULL）:_refCount(0){_str = new char[strlen( str) + 1];strcpy(_str, str);_refCount++;}String(String &s):_refCount( s._refCount) {_str = s._str;_refCount++;s._refCount = _refCount;//这里虽然可以让两个对象的_refCount相等，//但如果超过两个对象的_str指针都指向同一块内存时，//就无法让所有对象的_refCount都保持一致//这是方案一的缺陷之一}~String(){if (--_refCount == 0){delete[] _str;_str = NULL;cout << "~String " << endl;}}friend ostream& operator<<( ostream& output, const String &s); private:char* _str;int _refCount; }; ostream& operator<<( ostream& output, const String & s) {output << s._str;return output; } void Test() {String s1("aaa");String s2(s1);String s3(s2);cout << s1 << endl;cout << s2 << endl;cout << s3 << endl; }　

方案二

class String { private:char* _str;static int count; };

设置了一个静态整形变量来计算指向一块内存的指针的数量，每析构一次减1，直到它等于0（也就是没有指针在指向它的时候）再去释放那块内存，看似可行，其实不然！

这个方案只适用于只调用一次构造函数、只有一块内存的情形，如果多次调用构造函数构造对象，新构造的对象照样会改变count的值，那么以前的内存无法释放会造成内存泄漏。

 

结合上图和下面的代码，我们可以清楚地看到该方案相比方案一的改善，以及缺陷

class String { public:String(char* str = "") //不能strlen（NULL）{_str = new char[strlen( str) + 1];strcpy(_str, str);count++;}String(const String &s){_str = s._str;count++;}String& operator=( String& s) {_str = s._str;count++;return *this;}~String(){if (--count == 0){delete[] _str;_str = NULL;cout << "~String " << endl;}}friend ostream& operator<<( ostream& output, const String &s);friend istream& operator>>( istream& input, const String &s); private:char* _str;static int count; };int String::count = 0; //初始化count void Test() //用例测试 {String s1("abcdefg");String s2(s1);String s3;s3 = s2;cout << s1 << endl;cout << s2 << endl;cout << s3 << endl;String s4("opqrst");String s5(s4);String s6 (s5);s6 = s4;cout << s4 << endl;cout << s5 << endl;cout << s6 << endl; }

方案三

问题的关键是，我们不是要为每一个对象建立一个引用计数，而是要为每一块内存设置一个引用计数，只有这样才方便我们去维护。当指向这块内存的指针数为0时，再去释放它！

class String {private:char* _str;int* _refCount; };

方案三设置了一个int型的指针变量用来引用计数，每份内存空间对应一个引用计数，而不是每个对象对应一个引用计数，而且内存之间的引用计数互不影响，不会出现方案一和方案二出现的问题。

1.在实现赋值运算符重载时要谨慎，不要遇到下图的情形

 s1指向内存1，s2指向内存2，利用s2拷贝出的对象s3也指向内存块2，这时候内存块1的引用计数等于1 ，内存块2的引用计数等于2。一切似乎都很正常，但是调用赋值运算符重载执行语句：s2=s1后，错误慢慢显现出来了。将s2指向内存1 并把内存1 的引用计数加1，这理所当然，但是不能把s2原本指向的空间直接delete，s3还指向内存2着呢！这里千万在释放一块空间前，对指向这块内存的引用计数进行检查，当引用计数为0的时候再去释放，否则只做减引用计数就行。

//错误代码
String& operator=(String& s) {if (_str!= s._str){delete[] _str;delete _refCount; _str = s._str;_refCount = s._refCount;(*_refCount)++;} return *this;}　

2.改变字符串的某个字符时要谨慎，不要遇到类似下图所遇到的问题。

如果多个对象都指向同一块内存，那么只要一个对象改变了这块内存的内容，那所有的对象都被改变了！！

如下图：当s1和s2都指向内存块1，s3经过赋值运算符重载后也指向内存块1，现在s2如果对字符串进行修改后，所有指向内存块1 的指针指向的内容都会被改变！

可以用下图的形式改善这种问题：新设置一块内存来存要改变的对象，这样就不会影响其他的对象了

案例3我画的图较多，方便大家结合代码去理解 

//案例三
class String { public:String(char* str = "") //不能strlen（NULL）{_refCount = new int(1); //给_refCount开辟空间，并赋初值1_size = strlen(str);_capacity = _size + 1;_str = new char[strlen(str) + 1];strcpy(_str, str);}String(const String &s){_refCount = s._refCount;_str = s._str;_size = strlen(s._str);_capacity = _size + 1;(*_refCount)++; //拷贝一次_refCount都要加1}//要考虑是s1=s2时，s1原先不为空的情况，要先释放原内存//如果要释放原内存时，要考虑它的_refCount减1后是否为0，为零再释放，否则其它对象指针无法再访问这片空间String& operator=(String& s) {if (_str!= s._str){_size = strlen(s._str);_capacity = _size + 1;if (--(*_refCount) == 0){delete[] _str;delete _refCount;}_str = s._str;_refCount = s._refCount;(*_refCount)++;} return *this;}
//如果修改了字符串的内容，那所有指向这块内存的对象指针的内容间接被改变//如果还有其它指针指向这块内存，我们可以从堆上重新开辟一块内存空间，//把原字符串拷贝过来//再去改变它的内容，就不会产生链式反应// 1.减引用计数 2.拷贝 3.创建新的引用计数char& String::operator[](const size_t index) //参考深拷贝 {if (*_refCount==1){return *(_str + index);}else{--(*_refCount);char* tmp = new char[strlen(_str)+1];strcpy(tmp, _str);_str = tmp;_refCount = new int(1);return *(_str+index);}}~String(){if (--(*_refCount)== 0) //当_refCount=0的时候就释放内存{delete[] _str;delete _refCount;_str = NULL;cout << "~String " << endl;}_size = 0;_capacity = 0;}friend ostream& operator<<(ostream& output, const String &s);friend istream& operator>>(istream& input, const String &s); private:char* _str; //指向字符串的指针size_t _size; //字符串大小size_t _capacity; //容量int* _refCount; //计数指针 };ostream& operator<<(ostream& output, const String &s) {output << s._str;return output; } istream& operator>>(istream& input, const String &s) {input >> s._str;return input; }void Test() //用例测试 {String s1("abcdefg");String s2(s1);String s3;s3 = s2;cout << s1 << endl;cout << s2 << endl;cout << s3 << endl;s2[3] = '0';cout << s1 << endl;cout << s2 << endl;cout << s3 << endl; }

方案四

class String {private:char* _str; };

 

方案四与方案三类似。方案四把用来计数的整型指针变量放在所开辟的内存空间的首部。

用*((int*)_str)就能取得计数值

class String { public:String(char * str = "" ) //不能strlen（NULL）{_str = new char[strlen( str) + 5];_str += 4;strcpy(_str, str);GetRefCount(_str) = 1;}String(const String &s){_str = s._str;++GetRefCount(_str);}//要考虑是s1=s2时，s1原先不为空的情况，要先释放原内存//如果要释放原内存时，要考虑它的_refCount减1后是否为0，//为零再释放，否则其它对象指针无法再访问这片空间String& operator=(String& s){if (this != &s ){if (GetRefCount(_str ) == 1){delete (_str-4);_str = s._str;++GetRefCount(_str );}else{--GetRefCount(_str );_str = s._str;++GetRefCount(_str );}}return *this ;}//如果修改了字符串的内容，那所有指向这块内存的对象指针的内容间接被改变//如果还有其它指针指向这块内存，我们可以从堆上重新开辟一块内存空间，//把原字符串拷贝过来.//再去改变它的内容，就不会产生链式反应char& String ::operator[](const size_t index ) //深拷贝 {if (GetRefCount(_str) == 1){return _str[index ];}else{// 1.减引用计数--GetRefCount(_str );// 2.拷贝 3.创建新的引用计数char* tmp = new char [strlen(_str) + 5]; *((int *)tmp) = 1;tmp += 4;strcpy(tmp, _str);_str = tmp;return _str[index ];}}int& GetRefCount(char* ptr) //获取引用计数(隐式内联函数){return *((int *)(ptr -4));}~String(){if (--GetRefCount(_str) == 0){cout << "~String" << endl;delete[] (_str-4); }}friend ostream& operator<<( ostream& output, const String &s);friend istream& operator>>( istream& input, const String &s); private:char* _str;};ostream& operator<<(ostream& output, const String &s) {output << s._str;return output; } istream& operator>>(istream& input, const String &s) {input >> s._str;return input; }void Test() //用例测试 {String s1("abcdefg" );String s2(s1);String s3;s3 = s2;cout << s1 << endl;cout << s2 << endl;cout << s3 << endl;s2[3] = '0';cout << s1 << endl;cout << s2 << endl;cout << s3 << endl; } 

转载于:https://www.cnblogs.com/Lynn-Zhang/p/5400714.html

总结

以上是生活随笔为你收集整理的写时拷贝（Copy On Write）方案详解的全部内容，希望文章能够帮你解决所遇到的问题。

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