標準C＋＋類std::string的內存共享和Copy-On-Write技術 陳皓
1、概念
Scott Meyers在《More Effective C++》中舉了個例子，不知你是否還記得？在你還在上學的時候，你的父母要你不要看電視，而去復習功課，于是你把自己關在房間里，做出一副正在復習功課的樣子，其實你在干著別的諸如給班上的某位女生寫情書之類的事，而一旦你的父母出來在你房間要檢查你是否在復習時，你才真正撿起課本看書。這就是“拖延戰術”，直到你非要做的時候才去做。
當然，這種事情在現實生活中時往往會出事，但其在編程世界中搖身一變，就成為了最有用的技術，正如C++中的可以隨處聲明變量的特點一樣，Scott Meyers推薦我們，在真正需要一個存儲空間時才去聲明變量（分配內存），這樣會得到程序在運行時最小的內存花銷。執行到那才會去做分配內存這種比較耗時的工作，這會給我們的程序在運行時有比較好的性能。必竟，20%的程序運行了80%的時間。
當然，拖延戰術還并不只是這樣一種類型，這種技術被我們廣泛地應用著，特別是在操作系統當中，當一個程序運行結束時，操作系統并不會急著把其清除出內存，原因是有可能程序還會馬上再運行一次（從磁盤把程序裝入到內存是個很慢的過程），而只有當內存不夠用了，才會把這些還駐留內存的程序清出。
寫時才拷貝（Copy-On-Write）技術，就是編程界“懶惰行為”――拖延戰術的產物。舉個例子，比如我們有個程序要寫文件，不斷地根據網絡傳來的數據寫，如果每一次fwrite或是fprintf都要進行一個磁盤的I/O操作的話，都簡直就是性能上巨大的損失，因此通常的做法是，每次寫文件操作都寫在特定大小的一塊內存中（磁盤緩存），只有當我們關閉文件時，才寫到磁盤上（這就是為什么如果文件不關閉，所寫的東西會丟失的原因）。更有甚者是文件關閉時都不寫磁盤，而一直等到關機或是內存不夠時才寫磁盤，Unix就是這樣一個系統，如果非正常退出，那么數據就會丟失，文件就會損壞。
呵呵，為了性能我們需要冒這樣大的風險，還好我們的程序是不會忙得忘了還有一塊數據需要寫到磁盤上的，所以這種做法，還是很有必要的。
2、標準C++類std::string的Copy-On-Write
在我們經常使用的STL標準模板庫中的string類，也是一個具有寫時才拷貝技術的類。C++曾在性能問題上被廣泛地質疑和指責過，為了提高性能，STL中的許多類都采用了Copy-On-Write技術。這種偷懶的行為的確使使用STL的程序有著比較高要性能。
這里，我想從C++類或是設計模式的角度為各位揭開Copy-On-Write技術在string中實現的面紗，以供各位在用C++進行類庫設計時做一點參考。
在講述這項技術之前，我想簡單地說明一下string類內存分配的概念。通過常，string類中必有一個私有成員，其是一個char*，用戶記錄從堆上分配內存的地址，其在構造時分配內存，在析構時釋放內存。因為是從堆上分配內存，所以string類在維護這塊內存上是格外小心的，string類在返回這塊內存地址時，只返回const char*，也就是只讀的，如果你要寫，你只能通過string提供的方法進行數據的改寫。
2.1、特性
由表及里，由感性到理性，我們先來看一看string類的Copy-On-Write的表面特征。讓我們寫下下面的一段程序：
#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;
}
這個程序的意圖就是讓第二個string通過第一個string構造，然后打印出其存放數據的內存地址，然后分別修改str1和str2的內容，再查一下其存放內存的地址。程序的輸出是這樣的（我在VC6.0和g++ 2.95都得到了同樣的結果）：
> 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
從結果中我們可以看到，在開始的兩個語句后，str1和str2存放數據的地址是一樣的，而在修改內容后，str1的地址發生了變化，而str2的地址還是原來的。從這個例子，我們可以看到string類的Copy-On-Write技術。
2.2、深入
在深入這前，通過上述的演示，我們應該知道在string類中，要實現寫時才拷貝，需要解決兩個問題，一個是內存共享，一個是Copy-On-Wirte，這兩個主題會讓我們產生許多疑問，還是讓我們帶著這樣幾個問題來學習吧：
1、 Copy-On-Write的原理是什么？
2、 string類在什么情況下才共享內存的？
3、 string類在什么情況下觸發寫時才拷貝（Copy-On-Write）?
4、 Copy-On-Write時，發生了什么？
5、 Copy-On-Write的具體實現是怎么樣的？
喔，你說只要看一看STL中stirng的源碼你就可以找到答案了。當然，當然，我也是參考了string的父模板類basic_string的源碼。但是，如果你感到看STL的源碼就好像看機器碼，并嚴重打擊你對C++自信心，乃至產生了自己是否懂C++的疑問，如果你有這樣的感覺，那么還是繼續往下看我的這篇文章吧。
OK，讓我們一個問題一個問題地探討吧，慢慢地所有的技術細節都會浮出水面的。
2.3、Copy-On-Write的原理是什么？
有一定經驗的程序員一定知道，Copy-On-Write一定使用了“引用計數”，是的，必然有一個變量類似于RefCnt。當第一個類構造時，string的構造函數會根據傳入的參數從堆上分配內存，當有其它類需要這塊內存時，這個計數為自動累加，當有類析構時，這個計數會減一，直到最后一個類析構時，此時的RefCnt為1或是0，此時，程序才會真正的Free這塊從堆上分配的內存。
是的，引用計數就是string類中寫時才拷貝的原理！
不過，問題又來了，這個RefCnt該存在在哪里呢？如果存放在string類中，那么每個string的實例都有各自的一套，根本不能共有一個RefCnt，如果是聲明成全局變量，或是靜態成員，那就是所有的string類共享一個了，這也不行，我們需要的是一個“民主和集中”的一個解決方法。這是如何做到的呢？呵呵，人生就是一個糊涂后去探知，知道后和又糊涂的循環過程。別急別急，在后面我會給你一一道來的。
2.3.1、 string類在什么情況下才共享內存的？
這個問題的答案應該是明顯的，根據常理和邏輯，如果一個類要用另一個類的數據，那就可以共享被使用類的內存了。這是很合理的，如果你不用我的，那就不用共享，只有你使用我的，才發生共享。
使用別的類的數據時，無非有兩種情況，1）以別的類構造自己，2）以別的類賦值。第一種情況時會觸發拷貝構造函數，第二種情況會觸發賦值操作符。這兩種情況我們都可以在類中實現其對應的方法。對于第一種情況，只需要在string類的拷貝構造函數中做點處理，讓其引用計數累加；同樣，對于第二種情況，只需要重載string類的賦值操作符，同樣在其中加上一點處理。
嘮叨幾句：
1）構造和賦值的差別
對于前面那個例程中的這兩句：
string str1 = "hello world";
string str2 = str1;
不要以為有“=”就是賦值操作，其實，這兩條語句等價于：
string str1 ("hello world"); //調用的是構造函數
string str2 (str1); //調用的是拷貝構造函數
如果str2是下面的這樣情況：
string str2; //調用參數默認為空串的構造函數：string str2(“”);
str2 = str1; //調用str2的賦值操作：str2.operator=(str1);
2) 另一種情況
char tmp[]=”hello world”;
string str1 = tmp;
string str2 = tmp;
這種情況下會觸發內存的共享嗎？想當然的，應該要共享。可是根據我們前面所說的共享內存的情況，兩個string類的聲明和初始語句并不符合我前述的兩種情況，所以其并不發生內存共享。而且，C++現有特性也無法讓我們做到對這種情況進行類的內存共享。
2.3.2、 string類在什么情況下觸發寫時才拷貝（Copy-On-Write）?
哦，什么時候會發現寫時才拷貝？很顯然，當然是在共享同一塊內存的類發生內容改變時，才會發生Copy-On-Write。比如string類的[]、=、+=、+、操作符賦值，還有一些string類中諸如insert、replace、append等成員函數,包括類的析構時。
修改數據才會觸發Copy-On-Write，不修改當然就不會改啦。這就是托延戰術的真諦，非到要做的時候才去做。
2.3.3、Copy-On-Write時，發生了什么？
我們可能根據那個訪問計數來決定是否需要拷貝，參看下面的代碼：
If ( RefCnt>0 ) {
char* tmp = (char*) malloc(strlen(_Ptr)+1);
strcpy(tmp, _Ptr);
_Ptr = tmp;
}
上面的代碼是一個假想的拷貝方法，如果有別的類在引用（檢查引用計數來獲知）這塊內存，那么就需要把更改類進行“拷貝”這個動作。
我們可以把這個拷的運行封裝成一個函數，供那些改變內容的成員函數使用。
2.3.4、 Copy-On-Write的具體實現是怎么樣的？
最后的這個問題，我們主要解決的是那個“民主集中”的難題。請先看下面的代碼：
string h1 = “hello”;
string h2= h1;
string h3;
h3 = h2;
string w1 = “world”;
string w2(“”);
w2=w1;
很明顯，我們要讓h1、h2、h3共享同一塊內存，讓w1、w2共享同一塊內存。因為，在h1、h2、h3中，我們要維護一個引用計數，在w1、w2中我們又要維護一個引用計數。
如何使用一個巧妙的方法產生這兩個引用計數呢？我們想到了string類的內存是在堆上動態分配的，既然共享內存的各個類指向的是同一個內存區，我們為什么不在這塊區上多分配一點空間來存放這個引用計數呢？這樣一來，所有共享一塊內存區的類都有同樣的一個引用計數，而這個變量的地址既然是在共享區上的，那么所有共享這塊內存的類都可以訪問到，也就知道這塊內存的引用者有多少了。
請看下圖：
于是，有了這樣一個機制，每當我們為string分配內存時，我們總是要多分配一個空間用來存放這個引用計數的值，只要發生拷貝構造可是賦值時，這個內存的值就會加一。而在內容修改時，string類為查看這個引用計數是否為0，如果不為零，表示有人在共享這塊內存，那么自己需要先做一份拷貝，然后把引用計數減去一，再把數據拷貝過來。下面的幾個程序片段說明了這兩個動作：
//構造函數（分存內存）
string::string(const char* tmp)
{
_Len = strlen(tmp);
_Ptr = new char[_Len+1+1];
strcpy( _Ptr, tmp );
_Ptr[_Len+1]=0; // 設置引用計數
}
//拷貝構造（共享內存）
string::string(const string& str)
{
if (*this != str){
this->_Ptr = str.c_str(); //共享內存
this->_Len = str.szie();
this->_Ptr[_Len+1] ++; //引用計數加一
}
}
//寫時才拷貝Copy-On-Write
char& string::operator[](unsigned int idx)
{
if (idx > _Len || _Ptr == 0 ) {
static char nullchar = 0;
return nullchar;
}
_Ptr[_Len+1]--; //引用計數減一
char* tmp = new char[_Len+1+1];
strncpy( tmp, _Ptr, _Len+1);
_Ptr = tmp;
_Ptr[_Len+1]=0; // 設置新的共享內存的引用計數
return _Ptr[idx];
}
//析構函數的一些處理
~string()
{
_Ptr[_Len+1]--; //引用計數減一
// 引用計數為0時，釋放內存
if (_Ptr[_Len+1]==0) {
delete[] _Ptr;
}
}
哈哈，整個技術細節完全浮出水面。
不過，這和STL中basic_string的實現細節還有一點點差別，在你打開STL的源碼時，你會發現其取引用計數是通過這樣的訪問：_Ptr[-1]，標準庫中，把這個引用計數的內存分配在了前面（我給出來的代碼是把引用計數分配以了后面，這很不好），分配在前的好處是當string的長度擴展時，只需要在后面擴展其內存，而不需要移動引用計數的內存存放位置，這又節省了一點時間。
STL中的string的內存結構就像我前面畫的那個圖一樣，_Ptr指著是數據區，而RefCnt則在_Ptr-1 或是 _Ptr[-1]處。
2.4、臭蟲Bug
是誰說的“有太陽的地方就會有黑暗”？或許我們中的許多人都很迷信標準的東西，認為其是久經考驗，不可能出錯的。呵呵，千萬不要有這種迷信，因為任何設計再好，編碼再好的代碼在某一特定的情況下都會有Bug，STL同樣如此，string類的這個共享內存/寫時才拷貝技術也不例外，而且這個Bug或許還會讓你的整個程序crash掉！
不信？！那么讓我們來看一個測試案例：
假設有一個動態鏈接庫（叫myNet.dll或myNet.so）中有這樣一個函數返回的是string類：
string GetIPAddress(string hostname)
{
static string ip;
……
……
return ip;
}
而你的主程序中動態地載入這個動態鏈接庫，并調用其中的這個函數：
main()
{
//載入動態鏈接庫中的函數
hDll = LoadLibraray(…..);
pFun = GetModule(hDll, “GetIPAddress”);
//調用動態鏈接庫中的函數
string ip = (*pFun)(“host1”);
……
……
//釋放動態鏈接庫
FreeLibrary(hDll);
……
cout << ip << endl;
}
讓我們來看看這段代碼，程序以動態方式載入動態鏈接庫中的函數，然后以函數指針的方式調用動態鏈接庫中的函數，并把返回值放在一個string類中，然后釋放了這個動態鏈接庫。釋放后，輸入ip的內容。
根據函數的定義，我們知道函數是“值返回”的，所以，函數返回時，一定會調用拷貝構造函數，又根據string類的內存共享機制，在主程序中變量ip是和函數內部的那個靜態string變量共享內存（這塊內存區是在動態鏈接庫的地址空間的）。而我們假設在整個主程序中都沒有對ip的值進行修改過。那么在當主程序釋放了動態鏈接庫后，那個共享的內存區也隨之釋放。所以，以后對ip的訪問，必然做造成內存地址訪問非法，造成程序crash。即使你在以后沒有使用到ip這個變量，那么在主程序退出時也會發生內存訪問異常，因為程序退出時，ip會析構，在析構時就會發生內存訪問異常。
內存訪問異常，意味著兩件事：1）無論你的程序再漂亮，都會因為這個錯誤變得暗淡無光，你的聲譽也會因為這個錯誤受到損失。2）未來的一段時間，你會被這個系統級錯誤所煎熬（在C++世界中，找到并排除這種內存錯誤并不是一件容易的事情）。這是C/C++程序員永遠的心頭之痛，千里之堤，潰于蟻穴。而如果你不清楚string類的這種特征，在成千上萬行代碼中找這樣一個內存異常，簡直就是一場噩夢。
備注：要改正上述的Bug，有很多種方法，這里提供一種僅供參考：
string ip = (*pFun)(“host1”).cstr();
3、 后記
文章到這里也應該結束了，這篇文章的主要有以下幾個目的：
1） 向大家介紹一下寫時才拷貝/內存共享這種技術。
2） 以STL中的string類為例，向大家介紹了一種設計模式。
3） 在C++世界中，無論你的設計怎么精巧，代碼怎么穩固，都難以照顧到所有的情況。智能指針更是一個典型的例子，無論你怎么設計，都會有非常嚴重的BUG。
4） C++是一把雙刃劍，只有了解了原理，你才能更好的使用C++。否則，必將引火燒身。如果你在設計和使用類庫時有一種“玩C++就像玩火，必須千萬小心”的感覺，那么你就入門了，等你能把這股“火”控制的得心應手時，那才是學成了。
最后，還是利用這個后序，介紹一下自己。我目前從事于所有Unix平臺下的軟件研發，主要是做系統級的產品軟件研發，對于下一代的計算機革命――網格計算非常地感興趣，同于對于分布式計算、P2P、Web Service、J2EE技術方向也很感興趣，另外，對于項目實施、團隊管理、項目管理也小有心得，希望同樣和我戰斗在“技術和管理并重”的陣線上的年輕一代，能夠和我多多地交流。我的MSN和郵件是：haoel@hotmail.com。
