探秘写时拷贝的真相发布啦！

Posted 2022-12-11 流風餘韻

导读	写时拷贝（copy-on-write， COW）就是等到修改数据时才真正分配内存空间，这是对程序性能的优化，可以延迟甚至是避免内存拷贝，当然目的就是避免不必要的内存拷贝。

什么是写时拷贝

其实我们对写时拷贝并不陌生，Linux fork和STL string是比较典型的写时拷贝应用，本文只讨论STL string的写时拷贝。

string类的实现必然有个char*成员变量，用以存放string的内容，写时拷贝针对的对象就是这个char*成员变量。通过赋值或拷贝构造类操作，不管派生多少份string“副本”，每个“副本”的char*成员都是指向相同的地址，也就是共享同一块内存，直到某个“副本”执行string写操作时，才会触发写时拷贝，拷贝一份新的内存空间出来，然后在新空间上执行写操作。显然，那些只读的“副本”节省了内存分配的时间和空间。

听起来有点懵，对于没了解过写时拷贝的同学，会感觉完全颠覆平常对string的认知，下面我们来看一下实际例子。

写时拷贝例子

如上代码所示，调用拷贝构造函数生成str2，调用赋值操作符生成str3，那么str2与str3是否有分配内存空间来存储内容“abc”呢？

运行结果告诉我们，str1、str2与str3是共享内存空间的（char*成员指向相同的地址）。那么问题来了，对str1、str2或str3内容的修改是否会互相影响呢？答案是，只要遵守STL的约定来修改，是会触发写时拷贝的，不会互相影响(毕竟平时一直这样用也没有问题)。

可以看到，对str1重新复制，修改str3的值，都会触发写时拷贝，分配了新的空间。由于str1、str3都分配了新的空间，str2就可以继续使用原来的空间了。

写时拷贝原理

看了上面的例子，相信大家都已明白写时拷贝的表象了。但我们不能满足于现象，还要知道实现原理。应该很多同学都能猜到，string肯定是使用计数器来记录引用数，当有新的string对象共享内存块时，计数器+1，当有对象触发写时拷贝或析构时，计数器-1。

那么计数器存放在哪里呢？这是对象级别的计数器，由若干个对象共享，string类成员变量、静态变量或全局变量都不能满足要求。最合适的就是在堆里分配空间专门存储这个计数器，由第一个创建的对象分配并初始化计数器，其他对象按照约定引用计数器。我们知道string的内存空间就在堆上，那么直接在这块区上多分配一个空间来存储计数器是最方便的，所有共享这块内存的string对象都能访问计数器。事实上STL就是这么实现的，在string内存空间的最前面分配了空间存储计数器，如下图所示（图片摘自引文）：

string的所有赋值、拷贝构造操作，计数器都会+1；修改string数据时，先判断计数器是否为0（0代表没有其他对象共享内存空间），为0则可以直接使用内存空间（如例子中的str2），否则触发写时拷贝，计数器-1，拷贝一份数据出来修改，并且新的内存计数器置0；string对象析构时，如果计数器为0则释放内存空间，否则计数器也要-1。

STL源码分析

我们稍微走读下STL源码，看看写时拷贝的实现，以赋值操作符为例(拷贝构造函数类似)：

赋值操作符事实上是调用assign函数

_M_grab完成引用计数器更新，返回string数据内存地址

_M_rep返回Rep指针，Rep保存在string数据内存前面，所以使用-1下标索引。计数器_M_refcount就在Rep中。

实际执行_M_refcopy

引用计数器+1，返回数据内存地址(因为rep在数据前面，所以指针+1)

写时拷贝是一把双刃剑

写时拷贝能减少不必要的内存操作，提高程序性能，但同时也是一把双刃剑，如果没按STL约定使用string，可能会导致极其严重的bug，而且通常是很隐蔽的，因为一般不会把注意力放到一个赋值语句。

那么STL的约定用法是怎样呢？可以概括为两点：一，使用string提供的写操作，包括操作符与成员函数修改内容，都能正常触发写时拷贝，不会有“坑”；二，c_str()与data()返回const char*指针，只用来读取数据，不要强制转成char*指针直接修改内存。写时拷贝惹的祸都是因第二点使用不当导致的，“有经验”的程序员喜欢直接操作内存，硬是把const指针改成非const，殊不知这样修改内存，string对象是不感知的，没有办法触发写时拷贝，后果就是所有共享同一内存的string对象内容都被篡改了。

所以，应该从来都不把c_str()与data()返回的指针转换成非const，从源头上杜绝写时拷贝惹的祸。

但是有时却不得不应付已弄脏的源头，比如底层库实现有问题，传string对象进去，里面却通过指针修改string内容，导致写时拷贝机制失效。举个列子：

假设有上面一个Decode函数（为了方便描述，str默认空间够大），通过指针操作把data的数据拷贝到str。如果只调用一次，通常不会有什么问题，但是如果多次调用Decode，并且把str结果保存下来，那就出大bug，看下面代码：

可以看到，每次调用Decode后，之前保存的结果(str1、str2)都会“被覆盖”了。那么该如何应对这种已经有问题的底层函数呢？可以强制触发写时拷贝，下面继续分析。

强制触发写时拷贝

下面这些方法都可以强制触发写时拷贝：

1. 调用reserve函数

注意：reserve一定是在赋值后调用，不然提前触发写时拷贝是没用的

2. 调用resize函数

注意：resize大小一定要跟原来不一样，不然string会认为无需重新分配空间，请看下面resize源码。

另外，resize也要在赋值后调用。

3. 调用[]操作符

string[]操作符返回char&，允许调用者修改数据，所以会触发写时拷贝。

4. 调用char*参数版本assign

还要重点提醒，string参数版本的assign等价于赋值，不会触发写时拷贝的。

本文转载自：http://www.linuxprobe.com/quest-copy-truth.html

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