STL的写时拷贝（Copy-On-Write）

原作地址：

http://hi.baidu.com/jakisou/blog/item/255e9cd66f16a72a06088b20.html

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。

写时拷贝可以提高STL库的效率，但是在我们使用它的时候很容易遇到一些陷阱。

int main()   
{   
    string str1 = "abcd";   
    string str2 = str1;   
    char *p1 = const_cast<char*>(str1.c_str());   
    p1[0] = 'o';   
    //这里str1和str2同时被修改了   
    printf("%s %s/n", str1.c_str(), str2.c_str());  
   return 0;
}

看这个例子，这是看到别人分享的问题，本意肯定不愿意str2的值被修改，但是由于STL认为

char*p1=const_cast<char*>(str1.c_str());

str1.c_str()这步操作返回的是const char*对象，不会导致写操作，所以没有对str1对象进行拷贝处理，而const_cast<char*>在强制转换后赋值给p1后，后续的写操作导致了悲剧发生。

原因分析完了，如何解决，很简单，保证写操作之前，STL已经对该对象拷贝出了内存，方法就见仁见智了。