标准C＋＋类string的Copy-On-Write技术（一）

标准C＋＋类std::string的

内存共享和Copy-On-Write技术

 

陈皓

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。