【转】标准C＋＋类std::string的内存共享和Copy-On-Write技术

1、             概念
 

Scott Meyers在《More Effective C++》中举了个例子，不知你是否还记得？在你还在上学的时候，你的父母要你不要看电视，而去复习功课，于是你把自己关在房间里，做出一副正在复习功课的样子，其实你在干着别的诸如给班上的某位女生写情书之类的事，而一旦你的父母出来在你房间要检查你是否在复习时，你才真正捡起课本看书。这就是“拖延战术”，直到你非要做的时候才去做。

 

当然，这种事情在现实生活中时往往会出事，但其在编程世界中摇身一变，就成为了最有用的技术，正如C++中的可以随处声明变量的特点一样，Scott Meyers推荐我们，在真正需要一个存储空间时才去声明变量（分配内存），这样会得到程序在运行时最小的内存花销。执行到那才会去做分配内存这种比较耗时的工作，这会给我们的程序在运行时有比较好的性能。必竟，20%的程序运行了80%的时间。

 

当然，拖延战术还并不只是这样一种类型，这种技术被我们广泛地应用着，特别是在操作系统当中，当一个程序运行结束时，操作系统并不会急着把其清除出内存，原因是有可能程序还会马上再运行一次（从磁盘把程序装入到内存是个很慢的过程），而只有当内存不够用了，才会把这些还驻留内存的程序清出。

 

写时才拷贝（Copy-On-Write）技术，就是编程界“懒惰行为”——拖延战术的产物。举个例子，比如我们有个程序要写文件，不断地根据网络传来的数据写，如果每一次fwrite或是fprintf都要进行一个磁盘的I/O操作的话，都简直就是性能上巨大的损失，因此通常的做法是，每次写文件操作都写在特定大小的一块内存中（磁盘缓存），只有当我们关闭文件时，才写到磁盘上（这就是为什么如果文件不关闭，所写的东西会丢失的原因）。更有甚者是文件关闭时都不写磁盘，而一直等到关机或是内存不够时才写磁盘，Unix就是这样一个系统，如果非正常退出，那么数据就会丢失，文件就会损坏。

 

呵呵，为了性能我们需要冒这样大的风险，还好我们的程序是不会忙得忘了还有一块数据需要写到磁盘上的，所以这种做法，还是很有必要的。

 

 

2、             标准C++类std::string的Copy-On-Write
 

在我们经常使用的STL标准模板库中的string类，也是一个具有写时才拷贝技术的类。C++曾在性能问题上被广泛地质疑和指责过，为了提高性能，STL中的许多类都采用了Copy-On-Write技术。这种偷懒的行为的确使使用STL的程序有着比较高要性能。

 

这里，我想从C++类或是设计模式的角度为各位揭开Copy-On-Write技术在string中实现的面纱，以供各位在用C++进行类库设计时做一点参考。

 

在讲述这项技术之前，我想简单地说明一下string类内存分配的概念。通过常，string类中必有一个私有成员，其是一个char*，用户记录从堆上分配内存的地址，其在构造时分配内存，在析构时释放内存。因为是从堆上分配内存，所以string类在维护这块内存上是格外小心的，string类在返回这块内存地址时，只返回const char*，也就是只读的，如果你要写，你只能通过string提供的方法进行数据的改写。

2.1、         特性
 

由表及里，由感性到理性，我们先来看一看string类的Copy-On-Write的表面特征。让我们写下下面的一段程序：

 


#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;

}

 

 

这个程序的意图就是让第二个string通过第一个string构造，然后打印出其存放数据的内存地址，然后分别修改str1和str2的内容，再查一下其存放内存的地址。程序的输出是这样的（我在VC6.0和g++ 2.95都得到了同样的结果）：

 


> 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

 

 

从结果中我们可以看到，在开始的两个语句后，str1和str2存放数据的地址是一样的，而在修改内容后，str1的地址发生了变化，而str2的地址还是原来的。从这个例子，我们可以看到string类的Copy-On-Write技术。

 

 


2.2、         深入
在深入这前，通过上述的演示，我们应该知道在string类中，要实现写时才拷贝，需要解决两个问题，一个是内存共享，一个是Copy-On-Wirte，这两个主题会让我们产生许多疑问，还是让我们带着这样几个问题来学习吧：

1、  Copy-On-Write的原理是什么？

2、  string类在什么情况下才共享内存的？

3、  string类在什么情况下触发写时才拷贝（Copy-On-Write）?

4、  Copy-On-Write时，发生了什么？

5、  Copy-On-Write的具体实现是怎么样的？

 

喔，你说只要看一看STL中stirng的源码你就可以找到答案了。当然，当然，我也是参考了string的父模板类basic_string的源码。但是，如果你感到看STL的源码就好像看机器码，并严重打击你对C++自信心，乃至产生了自己是否懂C++的疑问，如果你有这样的感觉，那么还是继续往下看我的这篇文章吧。

 

OK，让我们一个问题一个问题地探讨吧，慢慢地所有的技术细节都会浮出水面的。

 

2.3、         Copy-On-Write的原理是什么？
 

有一定经验的程序员一定知道，Copy-On-Write一定使用了“引用计数”，是的，必然有一个变量类似于RefCnt。当第一个类构造时，string的构造函数会根据传入的参数从堆上分配内存，当有其它类需要这块内存时，这个计数为自动累加，当有类析构时，这个计数会减一，直到最后一个类析构时，此时的RefCnt为1或是0，此时，程序才会真正的Free这块从堆上分配的内存。

 

是的，引用计数就是string类中写时才拷贝的原理！

 

不过，问题又来了，这个RefCnt该存在在哪里呢？如果存放在string类中，那么每个string的实例都有各自的一套，根本不能共有一个RefCnt，如果是声明成全局变量，或是静态成员，那就是所有的string类共享一个了，这也不行，我们需要的是一个“民主和集中”的一个解决方法。这是如何做到的呢？呵呵，人生就是一个糊涂后去探知，知道后和又糊涂的循环过程。别急别急，在后面我会给你一一道来的。

 

2.3.1、      string类在什么情况下才共享内存的？
 

这个问题的答案应该是明显的，根据常理和逻辑，如果一个类要用另一个类的数据，那就可以共享被使用类的内存了。这是很合理的，如果你不用我的，那就不用共享，只有你使用我的，才发生共享。

 

使用别的类的数据时，无非有两种情况，1）以别的类构造自己，2）以别的类赋值。第一种情况时会触发拷贝构造函数，第二种情况会触发赋值操作符。这两种情况我们都可以在类中实现其对应的方法。对于第一种情况，只需要在string类的拷贝构造函数中做点处理，让其引用计数累加；同样，对于第二种情况，只需要重载string类的赋值操作符，同样在其中加上一点处理。

 

 

唠叨几句：

 

1）构造和赋值的差别

对于前面那个例程中的这两句：

       string str1 = "hello world";

       string str2 = str1;

不要以为有“=”就是赋值操作，其实，这两条语句等价于：

       string str1 ("hello world");   //调用的是构造函数

       string str2 (str1);            //调用的是拷贝构造函数

 

如果str2是下面的这样情况：

    string str2;      //调用参数默认为空串的构造函数：string str2(“”);

str2 = str1;     //调用str2的赋值操作：str2.operator=(str1);

 

2) 另一种情况

       char tmp[]=”hello world”;

     string str1 = tmp;

       string str2 = tmp;

    这种情况下会触发内存的共享吗？想当然的，应该要共享。可是根据我们前面所说的共享内存的情况，两个string类的声明和初始语句并不符合我前述的两种情况，所以其并不发生内存共享。而且，C++现有特性也无法让我们做到对这种情况进行类的内存共享。

 
 


 

2.3.2、      string类在什么情况下触发写时才拷贝（Copy-On-Write）?
 

哦，什么时候会发现写时才拷贝？很显然，当然是在共享同一块内存的类发生内容改变时，才会发生Copy-On-Write。比如string类的[]、=、+=、+、操作符赋值，还有一些string类中诸如insert、replace、append等成员函数。

 

修改数据才会触发Copy-On-Write，不修改当然就不会改啦。这就是托延战术的真谛，非到要做的时候才去做。

 

2.3.3、      Copy-On-Write时，发生了什么？
 

我们可能根据那个访问计数来决定是否需要拷贝，参看下面的代码：

 

If  ( RefCnt>0 ) {

    char* tmp =  (char*) malloc(strlen(_Ptr)+1);

    strcpy(tmp, _Ptr);

    _Ptr = tmp;

}

 
 


上面的代码是一个假想的拷贝方法，如果有别的类在引用（检查引用计数来获知）这块内存，那么就需要把更改类进行“拷贝”这个动作。

 

我们可以把这个拷的运行封装成一个函数，供那些改变内容的成员函数使用。

2.3.4、      Copy-On-Write的具体实现是怎么样的？
 

最后的这个问题，我们主要解决的是那个“民主集中”的难题。请先看下面的代码：

 

string h1 = “hello”;

string h2= h1;

string h3;

h3 = h2;

 

string w1 = “world”;

string w2(“”);

w2=w1;
 


 

很明显，我们要让h1、h2、h3共享同一块内存，让w1、w2共享同一块内存。因为，在h1、h2、h3中，我们要维护一个引用计数，在w1、w2中我们又要维护一个引用计数。

 

如何使用一个巧妙的方法产生这两个引用计数呢？我们想到了string类的内存是在堆上动态分配的，既然共享内存的各个类指向的是同一个内存区，我们为什么不在这块区上多分配一点空间来存放这个引用计数呢？这样一来，所有共享一块内存区的类都有同样的一个引用计数，而这个变量的地址既然是在共享区上的，那么所有共享这块内存的类都可以访问到，也就知道这块内存的引用者有多少了。

 

请看下图：






于是，有了这样一个机制，每当我们为string分配内存时，我们总是要多分配一个空间用来存放这个引用计数的值，只要发生拷贝构造可是赋值时，这个内存的值就会加一。而在内容修改时，string类为查看这个引用计数是否为0，如果不为零，表示有人在共享这块内存，那么自己需要先做一份拷贝，然后把引用计数减去一，再把数据拷贝过来。下面的几个程序片段说明了这两个动作：

 

 

   //构造函数（分存内存）

    string::string(const char* tmp)

{

    _Len = strlen(tmp);

    _Ptr = new char[_Len+1+1];

    strcpy( _Ptr, tmp );

    _Ptr[_Len+1]=0;  // 设置引用计数   

}

 

//拷贝构造（共享内存）

    string::string(const string& str)

    {

         if (*this != str){

              this->_Ptr = str.c_str();   //共享内存

              this->_Len = str.szie();

              this->_Ptr[_Len+1] ++;  //引用计数加一

         }

}

 

//写时才拷贝Copy-On-Write

char& string::operator[](unsigned int idx)

{

    if (idx > _Len || _Ptr == 0 ) {

         static char nullchar = 0;

return nullchar;

          }

    

_Ptr[_Len+1]--;   //引用计数减一

    char* tmp = new char[_Len+1+1];

    strncpy( tmp, _Ptr, _Len+1);

    _Ptr = tmp;

    _Ptr[_Len+1]=0; // 设置新的共享内存的引用计数

    

    return _Ptr[idx];

}



 


 

//析构函数的一些处理

~string()

{  

_Ptr[_Len+1]--;   //引用计数减一

   
         // 引用计数为0时，释放内存

    if (_Ptr[_Len+1]==0) {

        delete[] _Ptr;
         }
 

}

 


 

哈哈，整个技术细节完全浮出水面。

 

不过，这和STL中basic_string的实现细节还有一点点差别，在你打开STL的源码时，你会发现其取引用计数是通过这样的访问：_Ptr[-1]，标准库中，把这个引用计数的内存分配在了前面（我给出来的代码是把引用计数分配以了后面，这很不好），分配在前的好处是当string的长度扩展时，只需要在后面扩展其内存，而不需要移动引用计数的内存存放位置，这又节省了一点时间。

 

STL中的string的内存结构就像我前面画的那个图一样，_Ptr指着是数据区，而RefCnt则在_Ptr-1 或是 _Ptr[-1]处。
2.4、         臭虫Bug
 

是谁说的“有太阳的地方就会有黑暗”？或许我们中的许多人都很迷信标准的东西，认为其是久经考验，不可能出错的。呵呵，千万不要有这种迷信，因为任何设计再好，编码再好的代码在某一特定的情况下都会有Bug，STL同样如此，string类的这个共享内存/写时才拷贝技术也不例外，而且这个Bug或许还会让你的整个程序crash掉！

 

不信？！那么让我们来看一个测试案例：

 

假设有一个动态链接库（叫myNet.dll或myNet.so）中有这样一个函数返回的是string类：

 

string GetIPAddress(string hostname)

{

    static string ip;

    ……

    ……

    return ip;

}

 
 


 

而你的主程序中动态地载入这个动态链接库，并调用其中的这个函数：

 

 

main()

{

//载入动态链接库中的函数

hDll = LoadLibraray(…..);

pFun =  GetModule(hDll, “GetIPAddress”);

 

//调用动态链接库中的函数

string ip = (*pFun)(“host1”);

……

……

//释放动态链接库

FreeLibrary(hDll);

……

cout << ip << endl;

}

 
 


 

 

让我们来看看这段代码，程序以动态方式载入动态链接库中的函数，然后以函数指针的方式调用动态链接库中的函数，并把返回值放在一个string类中，然后释放了这个动态链接库。释放后，输入ip的内容。

 

根据函数的定义，我们知道函数是“值返回”的，所以，函数返回时，一定会调用拷贝构造函数，又根据string类的内存共享机制，在主程序中变量ip是和函数内部的那个静态string变量共享内存（这块内存区是在动态链接库的地址空间的）。而我们假设在整个主程序中都没有对ip的值进行修改过。那么在当主程序释放了动态链接库后，那个共享的内存区也随之释放。所以，以后对ip的访问，必然做造成内存地址访问非法，造成程序crash。即使你在以后没有使用到ip这个变量，那么在主程序退出时也会发生内存访问异常，因为程序退出时，ip会析构，在析构时就会发生内存访问异常。

 

内存访问异常，意味着两件事：1）无论你的程序再漂亮，都会因为这个错误变得暗淡无光，你的声誉也会因为这个错误受到损失。2）未来的一段时间，你会被这个系统级错误所煎熬（在C++世界中，找到并排除这种内存错误并不是一件容易的事情）。这是C/C++程序员永远的心头之痛，千里之堤，溃于蚁穴。而如果你不清楚string类的这种特征，在成千上万行代码中找这样一个内存异常，简直就是一场噩梦。

 

备注：要改正上述的Bug，有很多种方法，这里提供一种仅供参考：

string ip = (*pFun)(“host1”).cstr();

 

 

3、             后记
 

文章到这里也应该结束了，这篇文章的主要有以下几个目的：

 

1）    向大家介绍一下写时才拷贝/内存共享这种技术。

2）    以STL中的string类为例，向大家介绍了一种设计模式。

3）    在C++世界中，无论你的设计怎么精巧，代码怎么稳固，都难以照顾到所有的情况。智能指针更是一个典型的例子，无论你怎么设计，都会有非常严重的BUG。

4）    C++是一把双刃剑，只有了解了原理，你才能更好的使用C++。否则，必将引火烧身。如果你在设计和使用类库时有一种“玩C++就像玩火，必须千万小心”的感觉，那么你就入门了，等你能把这股“火”控制的得心应手时，那才是学成了。

 

最后，还是利用这个后序，介绍一下自己。我目前从事于所有Unix平台下的软件研发，主要是做系统级的产品软件研发，对于下一代的计算机革命——网格计算非常地感兴趣，同于对于分布式计算、P2P、Web Service、J2EE技术方向也很感兴趣，另外，对于项目实施、团队管理、项目管理也小有心得，希望同样和我战斗在“技术和管理并重”的阵线上的年轻一代，能够和我多多地交流。我的MSN和邮件是：haoel@hotmail.com。

 

我的专栏是：

http://blog.csdn.net/haoel/

 

补充1：std::string的另一个bug－－非线程安全的

线程A里的string strA赋值线程B里的string strB通过某个方法（void setstr(string& strA){ strB=strA;}）。这样，当strA,strB到析构时都还共享内存,当它们同时析构时,就可能出现异常.

比如是这样的流程:strA 对引用计数-1,strB对引用计数-1,这样原本是2的计数变成了0, 然后strA释放内存,strB释放内存(crash).这个bug在现在双核的cpu上发生的概率比较高.(单核的cpu概率低多了).

解决的办法和上面的bug一样,通过.c_str()方法(void setstr(LPCSTR lpszA){ strB=lpszA;})消除共享内存.

 

 补充2：

std::string一个极其隐晦得问题

昨天做一个dll，代码很快写完了，然而使用得时候总是遇到string内部指针删除错误，郁闷了一天，今天没去公司，好好研究了一下。
首先看下下面这段代码，声明两个string对象：

=   " wlwlxj " ;
std:: string   s2  =   " lxjwlwww " ;

调试状态下可以看到内部指针：
s1=0x00364ff9
s2=0x00365061
然后执行

=  s1;

按下f11，进入xstring源文件：

operator = ( const  _Myt &  _X)         // 赋值操作符
   { return  (assign(_X)); }                     // 调用assign函数

继续进入assign(_X)函数：

 assign( const  _Myt &  _X)
         { return  (assign(_X,  0 , npos)); }   // 调用assign函数

继续进入assign函数，好戏都在这里面：

 assign(const _Myt& _X, size_type _P, size_type _M)
        {if (_X.size() < _P)
            _Xran();
        size_type _N = _X.size() - _P;
        if (_M < _N)
            _N = _M;
        if (this == &_X)
            erase((size_type)(_P + _N)), erase(0, _P);
        else if (0 < _N && _N == _X.size()                        // 这个分支意思就是如果拷贝源有内容且就是就是源本身，并且
            && _Refcnt(_X.c_str()) < _FROZEN - 1          // 源字符串引用次数少于255-1次（可见引用次数最多255次），
            && allocator == _X.allocator)                           //且源字符和目的字符分配器一致
            {_Tidy(true);                                             // 删除本身
            _Ptr = (_E *)_X.c_str();                                    // 复制内容到目的串
            _Len = _X.size();
            _Res = _X.capacity();
            ++_Refcnt(_Ptr); }                                             // 增加一次引用
        else if (_Grow(_N, true))
            {_Tr::copy(_Ptr, &_X.c_str()[_P], _N);
            _Eos(_N); }
        return (*this); }

这样结果就是调用=号以后，s2地址和s1地址一样，都是0x00364ff9。

假如我们动态库有这样一个类class DLL接口：

SetString(std::string str)
{
m_str = str;
}

在客户调用时候：

= "wlwlxj";
DLL d;
d.SetString(str); // 此时没有深拷贝，而是引用了str内部指针地址

在调用结束的时候，dll内部删除成员变量的时候，会判断m_str内部指针合法性，由于实际分配是在调用端，在dll内部自然检查指针非法。

解决方法就是避免std::string引用计数，接口处修改为SetString(const char*)，这样在dll内部分配内存，内部释放，就不会有问题。

bug分析:

此是老问题了，即跨module（exe、dll）间申请/释放内存违例的问题，对发生在传递c++对象并使用时，不仅仅发生在std::string上

原因是由于程序中使用的内存管理多来源于crt提供的例程，而非直接使用操作系统的接口，这些例程都需要维护一些module全局数据（例如维护 池、维护空闲块、或者标记已申请的块等等，不同的实现中有不同的作用），当他们被静态连编时，实际上这些“全局数据”就不“全局”了，不同的module 各自为政，每份module都有自己的“全局数据”，自身的内存信息不为他人所知，module A的合法内存快自然不可能通得过module B的合法性验证

解决问题的方法有：
1、不要跨module传递c++对象，或者避免释放跨module申请的内存

2、将参与合作的module统统以multithreaded dll方式链入crt库，让他们的“全局”数据真正全局，注意，所有有交互的module都需要动态链入crt，

 

STL std::string class causes crashes and memory corruption on multi-processor machines:

http://support.microsoft.com/kb/813810/en-us