写时拷贝

什么是写时拷贝

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。

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

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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？

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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)。

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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）：

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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。