STL的寫時拷貝（Copy-On-Write）

原作地址：

http://hi.baidu.com/jakisou/blog/item/255e9cd66f16a72a06088b20.html

 

1、概念

 

Scott Meyers在《More Effective C++》 中舉了個例子，不知你是否還記得？在你還在上學的時候，你的父母要你不要看電視，而去複習功課，於是你把自己關在房間裡，做出一副正在複習功課的樣子，其 實你在乾著別的諸如給班上的某位女生寫情書之類的事，而一旦你的父母出來在你房間要檢查你是否在複習時，你才真正撿起課本看書。這就是“拖延戰術”，直到 你非要做的時候才去做。

 

當然，這種事情在現實生活中時往往會出事，但其在編程世界中搖身一變，就成為了最有用的技術，正如C++中的可以隨處聲明變數的特點一樣，Scott Meyers推薦我們，在真正需要一個儲存空間時才去聲明變數（分配記憶體），這樣會得到程式在運行時最小的記憶體花銷。執行到那才會去做分配記憶體這種比較耗時的工作，這會給我們的程式在運行時有比較好的效能。必竟，20%的程式運行了80%的時間。

 

當 然，拖延戰術還並不只是這樣一種類型，這種技術被我們廣泛地應用著，特別是在作業系統當中，當一個程式運行結束時，作業系統並不會急著把其清除出記憶體，原 因是有可能程式還會馬上再運行一次（從磁碟把程式裝入到記憶體是個很慢的過程），而只有當記憶體不夠用了，才會把這些還駐留記憶體的程式清出。

 

寫時才拷貝（Copy-On-Write）技術，就是編程界“懶惰行為”——拖延戰術的產物。舉個例子，比如我們有個程式要寫檔案，不斷地根據網路傳來的資料寫，如果每一次fwrite或是fprintf都要進行一個磁碟的I/O操 作的話，都簡直就是效能上巨大的損失，因此通常的做法是，每次寫檔案操作都寫在特定大小的一塊記憶體中（磁碟緩衝），只有當我們關閉檔案時，才寫到磁碟上 （這就是為什麼如果檔案不關閉，所寫的東西會丟失的原因）。更有甚者是檔案關閉時都不寫磁碟，而一直等到關機或是記憶體不夠時才寫磁碟，Unix就是這樣一個系統，如果非正常退出，那麼資料就會丟失，檔案就會損壞。

 

呵呵，為了效能我們需要冒這樣大的風險，還好我們的程式是不會忙得忘了還有一塊資料需要寫到磁碟上的，所以這種做法，還是很有必要的。

 

 

2、             標準C++類std::string的Copy-On-Write

 

在我們經常使用的STL標準模板庫中的string類，也是一個具有寫時才拷貝技術的類。C++曾在效能問題上被廣泛地質疑和指責過，為了提高效能，STL中的許多類都採用了Copy-On-Write技術。這種偷懶的行為的確使使用STL的程式有著比較高要效能。

 

這裡，我想從C++類或是設計模式的角度為各位揭開Copy-On-Write技術在string中實現的面紗，以供各位在用C++進行類庫設計時做一點參考。

 

在講述這項技術之前，我想簡單地說明一下string類記憶體配置的概念。通過常，string類中必有一個私人成員，其是一個char*，使用者記錄從堆上分配記憶體的地址，其在構造時分配記憶體，在析構時釋放記憶體。因為是從堆上分配記憶體，所以string類在維護這塊記憶體上是格外小心的，string類在返回這塊記憶體位址時，只返回const char*，也就是唯讀，如果你要寫，你只能通過string提供的方法進行資料的改寫。

 

2.1、         特性

 

由表及裡，由感性到理性，我們先來看一看string類的Copy-On-Write的表面特徵。讓我們寫下下面的一段程式：

 

#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; }

 

這個程式的意圖就是讓第二個string通過第一個string構造，然後列印出其存放資料的記憶體位址，然後分別修改str1和str2的內容，再查一下其存放記憶體的地址。程式的輸出是這樣的（我在VC6.0和g++ 2.95都得到了同樣的結果）：

 

> 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

 

從結果中我們可以看到，在開始的兩個語句後，str1和str2存放資料的地址是一樣的，而在修改內容後，str1的地址發生了變化，而str2的地址還是原來的。從這個例子，我們可以看到string類的Copy-On-Write技術。

 

 

寫時拷貝可以提高STL庫的效率，但是在我們使用它的時候很容易遇到一些陷阱。

 int main()<br />{<br /> string str1 = "abcd";<br /> string str2 = str1;<br /> char *p1 = const_cast<char*>(str1.c_str());<br /> p1[0] = 'o';<br /> //這裡str1和str2同時被修改了<br /> printf("%s %s/n", str1.c_str(), str2.c_str());<br /> return 0;<br />}

看這個例子，這是看到別人分享的問題，本意肯定不願意str2的值被修改，但是由於STL認為

char *p1 = const_cast<char*>(str1.c_str());   

str1.c_str()這步操作返回的是const char*對象，不會導致寫操作，所以沒有對str1對象進行拷貝處理，而const_cast<char*>在強制轉換後賦值給p1後，後續的寫操作導致了悲劇發生。

 

原因分析完了，如何解決，很簡單，保證寫操作之前，STL已經對該對象拷貝出了記憶體，方法就見仁見智了。