C++中什么是写时复制(Copy-on-Write)_C++共享数据优化与延迟拷贝机制-C++-PHP中文网

C++中什么是写时复制(Copy-on-Write)_C++共享数据优化与延迟拷贝机制

下次还敢

发布： 2025-10-23 15:35:02

原创

891人浏览过

c++kquote>写时复制通过共享数据并延迟拷贝至写操作发生时，减少内存开销；C++中曾用于std::string优化，现多被SSO替代，因其在多线程下维护引用计数成本高，现代C++更推荐移动语义等方案。

c++中什么是写时复制(copy-on-write)_c++共享数据优化与延迟拷贝机制

写时复制（Copy-on-Write，简称 COW）是一种优化技术，用于在多个对象共享同一份数据时，避免不必要的内存拷贝。只有当某个对象需要修改数据时，才真正进行拷贝，从而提升性能并节省内存。

共享数据与延迟拷贝的基本原理

C++ 中的写时复制核心思想是：多个实例可以共享同一块底层数据，只要它们只读访问，就不需要各自持有副本。一旦某个实例试图修改数据，系统才会为它创建独立的数据副本，确保修改不会影响其他共享者。

这种机制特别适用于频繁复制但很少修改的对象，比如字符串或大型容器。

初始化时多个对象指向同一块堆内存
引用计数记录当前有多少对象共享该数据
读操作直接访问共享数据，不触发拷贝
写操作检测到共享状态，先复制再修改（即“写时”才“复制”）

典型应用场景：std::string 的历史实现

早期一些标准库实现中，std::string 使用了写时复制来优化性能。例如：

立即学习“C++免费学习笔记（深入）”；

std::string a = "Hello";
std::string b = a; // 此时不拷贝字符数组，仅增加引用计数

此时 a 和 b 共享同一片内存。只有当执行如下操作时：

b[0] = 'h'; // 触发写操作，检测到共享，于是复制一份再修改

这才发生实际的内存分配和拷贝。这种方式减少了临时复制带来的开销。

What-the-Diff

检查请求差异，自动生成更改描述

103

查看详情

需要注意的是，C++11 起大多数主流 STL 实现（如 libstdc++、libc++）已放弃 COW，转而采用小字符串优化（SSO），因为 COW 在多线程环境下难以高效维护引用计数。

手动实现一个简单的 COW 类

可以通过智能指针和引用计数模拟写时复制行为。以下是一个简化版的 COW 包装器：

template <typename T>
class cow_ptr {
  struct data {
    std::shared_ptr<T> ptr;
    mutable bool unique_access = false;
  };
  std::shared_ptr<data> rep;

public:
  cow_ptr(T* p) : rep(std::make_shared<data>(data{std::shared_ptr<T>(p)})) {}

  T& operator*() {
    if (!rep->unique_access && !rep.unique()) {
      // 需要写入且非独占，复制一份
      rep = std::make_shared<data>(data{std::make_shared<T>(*rep->ptr)});
      rep->unique_access = true;
    }
    return *rep->ptr;
  }
};

这个例子展示了如何通过 shared_ptr 管理共享状态，并在写入前判断是否需要分离数据。