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，而去複習功課，於是你把自己關在房間裏，做出一副正在複習功課的樣子，其實你在幹着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複習時，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纔去做。
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，就成爲了最有用的技術，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纔去聲明變量（分配內存），這樣會得到程序在運行時最小的內存花銷。執行到那纔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，拖延戰術還並不只是這樣一種類型，這種技術被我們廣泛地應用着，特別是在操作系統當中，當一個程序運行結束時，操作系統並不會急着把其清除出內存，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，纔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“懶惰行爲”——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（這就是爲什麼如果文件不關閉，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，那麼數據就會丟失，文件就會損壞。
呵呵，爲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，爲了提高性能，STL中的許多類都採用了Copy-On-Write技術。這種偷懶的行爲的確使使用STL的程序有着比較高要性能。
這裏，我想從C++類或是設計模式的角度爲各位揭開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。因爲是從堆上分配內存，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*，也就是隻讀的，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
由表及裏，由感性到理性，我們先來看一看string類的Copy-On-Write的表面特徵。讓我們寫下下面的一段程序：
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#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，然後打印出其存放數據的內存地址，然後分別修改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）：
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> ./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，在開始的兩個語句後，str1和str2存放數據的地址是一樣的，而在修改內容後，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。
