本节书摘来自异步社区出版社《C++面向对象高效编程（第2版）》一书中的第4章，第4.10节，作者： 【美】Kayshav Dattatri，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

4.10 “写时复制”的概念

C++面向对象高效编程（第2版）通过以上的讨论可知，TString类相当易懂和易实现。如果经常使用该类的对象作为函数参数和按值返回的值，会出现什么情况？因为TString类使用了深复制语义，如果TString

图4-12

类对象中的字符数目很多，将花费很长的时间来复制字符和删除动态分配内存。这也意味着，创建对象和销毁对象的开销很大。我们设计TString类的初衷，就是希望客户在使用字符串的地方，都能使用TString类对象。但是，如果创建、复制、赋值和销毁这些对象的开销太大，难免客户避而远之。是否有办法可以优化实现，加快对象的复制速度？

的确，复制TString类对象时，也要复制对象中的所有字符。但是，这样做太浪费时间。我们可以尝试修改实现，使其在建立多个TString类对象副本时，让这些副本都共享原始字符串中的字符，并不真正复制它们。我们了解过如何实现这样的共享。重要的是，当某个副本企图修改（或甚至销毁）对象中的字符时，共享机制必须确保该副本（TString类对象）获得一份自己的字符副本，而不会影响其他仍然共享字符的对象。例如（为理解以下代码，见图4-12）。

TString one(“ABCDEFG”) TString two(one);　　// 进行复制 TString three; three = one;``` 现在，如果three对象企图通过如下代码修改它的字符： `three.ToLower();　　// 将字符改为小写` 而其他的对象（one和two）不会受到影响。最终，我们应该得到图4-13所示的结果。 如果我们可以确保如上所述的条件，便可达到加速复制的目标。在企图修改时才进行真正的复制，这样方案就是写时复制（copy-on-write）。这项原则已经在软件工程中使用了很长时间，特别是在系统软件中1。它的基本含义是：在对资源进行写入之前，资源（在该例中就是字符）是共享的。当某共享资源的对象试图在资源中写入时，就制作一个副本。  图4-13 这个概念要求具备三个基本条件： （1）共享资源不应该导致太多额外的成本（内存和CPU）。 （2）应该能清楚地识别并控制所有可以修改资源的途径。 （3）设计的实现必须在任何情况下都能追踪共享资源的对象数目。 第一个条件意味着，为了共享字符串中的字符，我们不能过度地增加每个对象的大小。而且，为此实现的代码也不能太复杂。换言之，应该以最小的代价完成共享。否则，共享的开销便抵销了它的优势。 第二个条件意味着，共享资源的对象只能通过定义良好的途径（或函数）来修改共享资源。我们的实现必须能识别所有的这些途径，并完成正确的工作。 第三个条件建议，为进行正确的操作，在任何时候，设计的实现都必须确切地知道有多少个对象正在共享资源。如果无法满足此条件，会出现无用单元或悬挂引用的问题。毫无疑问，在多线程环境中，也必须满足以上所有条件。 正确执行“写时复制”语义的关键就是从实现中分离接口。当复制TString类对象时，它必须共享原始对象中已存在的实现，而不应该创建一个新的字符集。再者，实现必须记住共享实现（或资源）的对象数目，这称为引用计数（reference count）。它是对资源引用的数目，而且在任何时候都必须保持正确。鉴于此，这种方案有时也称为引用计数机制（reference counting mechanism）。但是，引用计数并不意味着“写时复制”。实际上，在后面的章节中我们将介绍在使用引用计数时，并未进行“写时复制”的情况。此外，引用计数也被称为使用计数（use count）。 接下来，我们将字符的实现（和存储区）移动至TString类内的StringRep嵌套结构中。在C++中，嵌套类并不意味着它的对象就是嵌套对象，只是在类的声明处反映其嵌套性质。进一步而言，StringRep的名称只能在TString类内部可见。以下是新的TString类声明：

include

include

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class TString {　public:　　　　// 构造函数　　TString();　　// 创建一个空字符串对象　　　　// 创建一个字符串对象，该对象包含指向字符的s指针。　　　　// s所指向的字符串必须以NULL结尾，通过s复制字符。　　TString(const char* s);　　　　TString(char aChar);　　// 创建一个包含单个字符aChar的字符串　　TString(const TString& arg);　　// 复制构造函数　　~TString();　　// 析构函数　　　// 赋值操作符　　TString& operator=(const TString& arg);　　　// 返回指向内部数据的指针，小心。　　const char* c_str() const { return _rp->_str; }　　　// 这些方法将修改原始对象，将其他对象的字符附在 *this后。　　　// 在字符串中改变字符的情况　　TString& ToLower();　　// 将大写字符转换成小写　　TString& ToUpper();　　// 将小写字符转换成大写　　　　// 其他成员函数未显示　private:　　struct StringRep {　　　char* _str;　　// 实际的字符　　　unsigned _refCount;　　// 对它引用的数目　　　unsigned _length;　　　// 字符串中的字符数目　};　StringRep* _rp;　　// 在TString中唯一的数据成员 };`// 其他非成员函数未作改动--此处未显示每个TString类对象都包含指向StringRep对象的指针。在复制TString类对象时，只需复制_rp指针，就这么简单。实际上，也可以将StrginRep设计成一个带有构造函数和析构函数的真正独立的类。但是在该例中，不用这样做。我们需要的只是一个字符指针和引用计数的占位符。参见图4-14理解以下代码：

TString one(“ABCDEFG”); TString two(one);　　// 进行复制 TString three; three = one;```  图4-14 现在，我们来看看它的实现有何不同：

TString::TString(){　_rp = new StringRep;　_rp->_refCount = 1;　_rp->_length = 0;　_rp->_str = 0;}TString::TString(const char* s){　_rp = new StringRep;　_rp->_refCount = 1;　　　// 这是使用StringRep的唯一对象　_rp->_length = strlen(s);　_rp->_str = new char[_rp->_length + 1];　strcpy (_rp->_str, s);}TString::TString(char aChar){　_rp = new StringRep;　_rp->_length = 1; 　_rp->_str = new char[_rp->_length + 1];　_rp->_str[0] = aChar;　_rp->_str[1] = 0;　_rp->_refCount = 1;　　// 这是使用StringRep的唯一对象}TString::TString(const TString& other){// 这是最重要的操作之一。 // 我们需要在other中，通过_rp所指向的对象递增引用计数。它又获得一个引用。　other._rp->_refCount++;　　// 让它们共享资源　this->_rp = other._rp;}TString& TString::operator=(const TString& other){　if (this == &other)　　return * this;　　// 自我赋值/* 这是另一个重要的操作。我们需要在other中，通过_rp所指向的对象递增引用计数。同时，需要通过“this”指向的对象递减引用计数。 */other._rp->_refCount++;　　// 它又获得一个引用// 递减和测试，是否仍然在使用它？if (--this->_rp->_refCount == 0) {　　delete [] this->_rp->_str;　　delete this->_rp;}this->_rp = other._rp; // 让它们共享资源return * this;}// 这是一个重要的成员函数，需要应用“写时复制”方案TString& TString::ToLower(){　char* p;　if (_rp->_refCount > 1) {　　// 这是最困难的部分。分离TString 对象并提供它的StringRep对象。 　　// 这是“写时复制”操作。　　unsigned len = this->_rp->_length; // 保存它　　p = new char[len + 1];　　strcpy(p, this->_rp->_str);　　this->_rp->_refCount--; // 因为 *this即将离开内存池　　this->_rp = new StringRep;　　this->_rp->_refCount = 1;　　this->_rp->_length = len;　　this->_rp->_str = p;　　// p在前面已创建}// 继续，并改变字符p = this->_rp->_str;if (p != 0) {　　while (*p) {　　　p = tolower(p); ++p;　　}}　return * this;}TString& TString::ToUpper() // 留给读者作为练习{　return *this;}TString::~TString(){　if (--_rp->_refCount == 0) {　　　delete [] _rp->_str;delete _rp;}}`// 已省略其他成员函数的实现下面的代码用于说明赋值操作符如何工作（见图4-15）：

TString x(“1234ABCDXYZ”); TString y(x);　　// 通过x复制构造y TString a (“PQRS”); TString b(a); a = x;```` 到目前为止，这些操作是最重要的，因为它们控制着对象的复制。现在，为了完善代码，来看看ToLower成员函数的实现效果（见图4-16）。 假设有如下的代码：

TString x(“1234ABCXYZ”);TString y(x);TString z = x;z.ToLower();`现在，分析一下TString类的析构函数。当TString类对象离开作用域后，如果不再使用_rp所指向的内存，必须将其删除。否则，我们只是减少了引用计数的值，并未清理内存就匆忙前进。

线程安全可移植性：

必须记住，在以上讨论的示例中，所有修改_refCount数据成员的地方，都不是多线程安全的操作。在需要多线程安全的情况中，必须保证这样的递增和递减操作是多线程安全的。方法是：使用操作系统特定的同步工具（甚至是在汇编语言例程中）；或者，由一个不同的类（将在下一章中介绍）来处理这种针对处理器的操作，而且客户必须使用这个类。重要的是识别线程安全，如何实现它只是细节问题。

思考：

在上面的代码中，很多地方都需要创建、删除和操控StringRep对象。很明显，这并不是最好的方法。尝试修改实现，以便StringRep有自己的构造函数、析构函数以及其他函数。这样，StringRep便可自我管理。另外，完成TString类的实现。

4.10.1 何时使用引用计数

共享资源是大多数应用程序中十分常见的功能，在需要共享资源（无论是否有“写时复制”）时，使用引用计数是一种整洁的方案。引用计数促使实现更高效、更简洁，而且

图4-15

使应用程序运行得更快。引用计数为客户分担了资源管理的负担，并让其成为实现的一部分（这是正确的处理方法）。

4.10.2 “写时复制”小结

上面使用的引用计数方案有一些与众不同的特点。

TSring类对象负责处理StringRep对象。可以把StringRep对象看成主对象（master object），它拥有存储区和引用计数。实际上，客户并不知道内部如何完成所有的工作，因为“写时复制”方案保证了她不会受到任何影响。客户总会认为自己拥有了TString类对象副本，其实真正的实现远比这复杂得多。“写时复制”这个概念，在禁止高开销复制、需要更高效复制操作的地方非常有用。

图4-16

在不适合使用“写时复制”方案（因为主对象并不允许复制），但却需要共享的地方，我们将使用无“写时复制”的引用计数语义。在所有情况中，都必须考虑是否允许客户修改主对象。我们将在后面的章节中介绍更多相关的示例。

1这频繁用于操作系统中进程之间的页面共享。mach微处理器将该原则用于虚拟内存系统。UNIX系统通过调用vfork()也是为了相同的目的。本文仅用于学习和交流目的，不代表异步社区观点。非商业转载请注明作译者、出处，并保留本文的原始链接。

相关资源：Visual.Basic.2010.&.NET4.高级编程(第6版)-文字版.pdf