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  • 标准C++类std::string的内存共享和Copy-On-Write(写时拷贝)

    标准C++类std::string的内存共享,值得体会:

    详见大牛:https://www.douban.com/group/topic/19621165/

    顾名思义,内存共享,就是两个乃至更多的对象,共同使用一块内存;

    1.关于string的内存共享问题:

    通常,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,也只能通过string提供的方法进行数据的改写。

    #include<iostream>
    #include<string>
    #include<cstdio>
    using namespace std;
     
    main()
    {
           string str1 = "hello world";
           string str2 = str1;
           string str3 = str2;
      
           printf ("内存共享:
    ");
           printf ("	str1 的地址: %x
    ", (unsigned int)str1.c_str() );
           printf ("	str2 的地址: %x
    ", (unsigned int)str2.c_str() );
           printf ("	str3 的地址: %x
    ", (unsigned int)str3.c_str() );
    
           return 0;
    }
    如上例子中,str1,str2,str3共享同一块内存,如图:


    基本就是内存string类内存共享的最底层展现了,既然内存是一样的了,如果需要改写某个对象怎么办?由此引出写时拷贝Copy-On-Write

    2.关于Copy-On-Write(原理)

    顾名思义,写的时候在拷贝,(读的时候就不用了,哈哈)

    还是以上边的例子为例:

    #include<iostream>
    #include<string>
    #include<cstdio>
    using namespace std;
     
    main()
    {
           string str1 = "hello world";
           string str2 = str1;
           string str3 = str2;
      
           printf ("内存共享:
    ");
           printf ("	str1 的地址: %x
    ", (unsigned int)str1.c_str() );
           printf ("	str2 的地址: %x
    ", (unsigned int)str2.c_str() );
           printf ("	str3 的地址: %x
    ", (unsigned int)str3.c_str() );
    
           str3[1]='a';
           str2[1]='w';
           str1[1]='q';
      
           printf ("通过写时拷贝之后:
    ");
           printf ("	str1 的地址: %x
    ", (unsigned int)str1.c_str() );
           printf ("	str2 的地址: %x
    ", (unsigned int)str2.c_str() );
           printf ("	str3 的地址: %x
    ", (unsigned int)str3.c_str() );
    
           return 0;
    }
    
    //输出结果:
    内存共享:
      str1 的地址: 83f9017
      str2 的地址: 83f9017
      str3 的地址: 83f9017
    通过写时拷贝之后:
      str1 的地址: 83f9017
      str2 的地址: 83f9054
      str3 的地址: 83f9034
    很明显可以看出来,一开始,str1,str2,str3共享同一块内存,地址都是一样的;

    当开始修改是这些内存是,先不说如何实现,先表征是如何写时拷贝的,看图,咱还是看图:

    图中依然说明了str3的内容修改是怎么回事,str2的内容修改,也是同样的道理,重新给str2在堆上开辟空间,原空间只是str1一个人用,修改最后一个str1的内容时,

    当然就不用在和前两种一样啦,因为,这个时候,原空间只有str1一个人用,这个时候,对此空间操作,没有任何问题。都写都可以;

    写时拷贝在此例中的体现,主要是str2,和str3内容的修改;但是有没有发现,我每次开辟空间的同时,会在新开辟的空间开头多分配一个空间,存放的是count;

    原因就和写时拷贝的具体操作有关了:

    3.写时拷贝(Copy-On-Write)的实现:

    Copy-On-Write使用了“引用计数”,有一个变量count来计数,而且计数就放在没开辟一段空间的开头几个字节。

    当第一个类构造时,string的构造函数会根据传入的参数从堆上分配内存,当有其它类需要这块内存时,这个计数为自动累加,

    当有类析构时,这个计数会减一,直到最后一个类析构时,此时的count为1或是0,此时,程序才会真正的Free这块从堆上分配的内存。 

    下面是我写的一个简单的例子:

    #include<iostream>
    using namespace std;
    
    class String
    {
    public:
    	String(const char* str)
    		//初始时字符创有一个外加4个字节的引用计数空间
    		:_str(new char[strlen(str)+5])
    	{
    		(*((int*)_str)) = 1;//申请的空间赋值为1
    		_str += 4; //让_str还是指向字符创的第一个字符
    		           //而不是引用计数的头上
    		strcpy(_str,str);
    	}
    
    	String(const String& s)
    		:_str(s._str)
    	{
    		(*(((int*)_str) - 1)) += 1;
    	}
    
    	String& operator=(const String& s)
    	{
    		if(_str != s._str)
    		{
    			if(*(((int*)_str) - 1) == 0)
    			{
    				delete[] (_str-4);
    			}
    			_str = s._str;
    			*(((int*)_str) - 1) += 1;
    		}
    		return *this;
    
    
    	}
    	~String()
    	{
    		if(*(((int*)_str) - 1) == 0)
    		{
    			_str -= 4;
    			delete[] _str;
    		}
    	}
    private:
    	char *_str;
    };
    
    void Test()
    {
    	String s1("11111111111111111111111111");
    	String s2(s1);
    }
    
    int main()
    {
    	Test();
    	return 0;
    }
    在内存开头开辟引用计数空间;

    到此,string类的内存共享和写时拷贝,就算是告一段落了,个人拙见,跪求赐教!

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