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;
}
