C++ string类的隐式共享写时拷贝的实现及设计要点

文章由LinuxBoy分享于2019-03-31 08:03:12热评（499）

C++ string类的隐式共享写时拷贝的实现及设计要点

字符串一种在程序中经常要使用到的数据结构，然而在C中却没有字符串这种类型。在C++中，为了方便字符串的使用，在STL中提供了一个string类。该类维护一个char指针，并封装和提供各种的字符串操作。

一、为什么要实现隐式公享写时拷贝

试想一下，如果我们要自己实现一个string类，最简单的方式是什么？就是让每一个string类的实例维护一个在内存中独立的字符数组，每个string对象各不相干。这样一个对象的任何变化都不会影响到其他的对象。这样做的好处就是处理简单，不易出错，但是这样做的缺点却是内存的使用量、程序的效率也低。

例如，对于如下的例子：

int swap(string &x, string &y)
{
string tmp(x);
x = y;
y = tmp;
}

在上面的代码中，我们需要做的事情非常简单，只是想交换一下两个string对象的值而已。然而，如果我们采用上面所说的实现方式，一共在内存上进行了三次的用new来创建一个新的数组并复制数据，同时还会调用两次的delete[]。我们花了这么大的力气才完成了这样一个简单的动作。而隐式共享写时复制的内存管理策略却可以解决这样的问题。虽然C++11用&&运算符解决了上述问题，但是在程序中使用大量的string的副本，而不改变其值的情况还是不少的。例如string数组，删除一个元素后的移动操作。

二、隐式共享写时复制的实现思想

什么是隐式共享写时拷贝呢？就是当用一个string对象初始化另一个string对象或把一个string对象赋值给另一个string对象时，它们内部维护的指针其实指向了内存中的同一个字符数组，这就是隐式共享。

使用这种方法，上述的代码就不需要调用new来创建数组也不需要复制，也不会调用delete[]（如果不是很明白也不要紧，看完实现代码和后自然就明白了）。然后两个指针指向同一个对象很容易引发错误，当其中一个对象执行析构函数释放掉其内部指针指向的内存时，另一个对象却对此完全不知情，可能会引用一个不存在的内存，从而让程序崩溃。所以为了方便资源的管理，我们引用智能指针的思想，为每个内存中的字符数组（用new创建，存在于堆中）添加一个引用计数used，表示有多少个对象引用这个块内存（即字符数组）。当一个对象析构时，它会把引用计数used减1，当used为0时，表示没有对象引用这块内存，从而把这块内存释放掉。当然由于used也要在对象中共享，所以它也是一个堆中的数据，每个对象有一个指向它的指针。

而当一个string对象需要改变它的值时，例如

string s1("abc");
string s2(s1);
string s3("edf");
s2 += s3;

此时，s1和s2指向了堆内存中的同一个字符数组，而当s2的值要改变时，因为如果直接在其指向的内存中修改，则会影响到对象s1，所以为了让s2的操作不影响到s1，s2会在重新new出一块内存，然后先把之前所引用的字符数组的数据复制到新的字符数组中，然后再把s3中的字符数据复制到新的字符数组中。这就是写时拷贝。注意，同时还要把之前指向的内存的引用计数减1（因为它指向了新的堆中的字符数组），并在堆中重新new一个块内存，用于保存新的引用计数，同时把新的字符数组的引用计数置为1。因为此时只有一个对象（就是改变值的对象）在使用这个内存。

三、代码实现及设计要点详解

说了这么多，还是来看看代码的实现吧，为了与标准C++的string类区别开来，这样采用第一个字母大写来表示自定义的字符串类String。

C++ string类的隐式共享写时拷贝实现代码下载：

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具体下载目录在 /2014年资料/4月/4日/C++ string类的隐式共享写时拷贝的实现及设计要点

下载方法见

其头文件_stringv2.h如下：

#ifndef _STRINGV2_H_INCLUDED
#define _STRINGV2_H_INCLUDED
/***
String类的部分实现，采用的内存管理策略是：隐式共享，写时复制
实现方法：与智能指针的实现类似
***/
class String
{
public:
String();
String(const String& s);
String(const char *pc, size_t len);
String(const char *pc);
~String();
String& operator=(const String &s);
String& operator=(const char *s);
String& operator+=(const String &rhs);
String& operator+=(const char *rhs);
void clear();
size_t getLength()const {return _length;}
const char* cstr()const {return _cstr;}
private://function
void _initString(const char *cstr, size_t len);
void _decUsed();
char* _renewAndCat(const char *cstr, size_t len);
void _addString(const char *cstr, size_t len);
void _addAssignOpt(const char *cstr, size_t len);
private://data
char *_cstr;
size_t *_used;
size_t _length;
size_t _capacity;
};
String operator+(const String &lhs, const String &rhs);
std::ostream& operator <<(std::ostream &os, const String &s);
std::istream& operator >>(std::istream &in, String &s);
#endif // _STRINGV2_H_INCLUDED

从上面的String的数据成员，我们可以看到String在其内部维护一个指向堆内存的字符数组的char指针_cstr和一个指向堆内存中字符数组的引用计数的size_t指针_used。本类并没有实现String的所有操作，只是实现了大部分的初始化和String跟写操作有关的函数。

注意：为了说明的方便，我会使用s._cstr等方式来指明一个成员变量所属的对象，或使用*s._cstr等方式来引用一个对象的指针成员所指的内存。但这并不是说在类的外面访问成员变量，只是为了说明的方便和清晰而已。为了方便代码的阅读，类的成员变量或私有函数都以下划线“_”开头。

C++ string类的隐式共享写时拷贝的实现及设计要点