C++ 简易string类实现（二）-引用计数

引用计数（reference count），允许多个等值对象共享一个实值，此技术的发展有两个动机.第一，简化heap object的簿记工作，在程序执行过程中，对象的拥有权可以会转移，记录对象的拥有权不是一件简单的事情，其次，在对象没有使用者时，需要自动销毁自己，避免内存泄露；第二，如果多个对象拥有相同的值，那么将那个值存储多次往往是件愚蠢的事情，最好的做法是，让所有等值对象共享一份实值就好，这么做不仅节省内存，也使得程序速度加快，因为不再需要构造和析构同值的多余副本。

在 C++ 简易string类实现（一）中我们看到，每一个String变量，都拥有一份heap object，即使其内部完全一样，在某些情况下（仅仅对String变量读操作，而没有写），就会引发上述中的第二个问题，因此，这里通过引用计数的方式，来解决这个问题.在这里，为了节约篇幅，仅仅写出主要的几个成员函数.

类声明：

class String
{
public:
String(const char* str_ = "");

String(const String& str_);

String& operator=(const String& str_);

~String();

public:
const char& operator[](size_t index_) const;

public:
size_t getRefCount() const;

private:
struct StringValue
{
size_t refCount;
char* ptr;

StringValue(const char* str_);

~StringValue();
};

StringValue* _value;
};

引用计数，顾名思义，是用来计数的，这里，就需要明确是对String本身计数还是对其拥有的资源进行计数，可想而知，计数的应该是后者.在类String中，字符串的值和引用次数之间有耦合（coupling）关系，利用封装的思想，将两者封装成一个类（class），不但存储引用次数，也存储他们所追踪的对象值，这个class命名为StringValue，并将其作为String的一个嵌套（nested）类.为了让所有的String成员函数（member function）都能够访问StringValue，将StringValue声明为struct，这与封装的思想似乎背道而驰，但是，将StringValue用private修饰，使仅能被String的成员函数访问，而不被任何其它人访问，这是在访问的便利性和封装之间做了一个折衷，毕竟，作为一个辅助类，其作用范围有限（String内），不希望追求极致的
4000
封装而将StringValue本身加入过多额外的成员函数.

类实现：

String::String(const char* str_ /* = "" */)
: _value(new StringValue(str_))
{
}

String::String(const String& str_)
: _value(str_._value)
{
++_value->refCount;
}

String& String::operator=(const String& str_)
{
/*
//这样写存在问题，例如str2 = str3; str2 = str3;即重复一次，
//如果是这种写法，那么会执行后续代码一次，虽然结果是对的
//但造成了不必要的运行消耗
if (this != &str_)
{
return *this;
}*/
if (_value == str_._value)
{
return *this;
}

std::cout << "operator=" << std::endl;

if (--_value->refCount == 0)
{
delete _value;
}

_value = str_._value;
++_value->refCount;

return *this;
}

String::~String()
{
if (--_value->refCount == 0)
{
delete _value;
}
}

const char& String::operator[](size_t index_) const
{
//为了简化代码，不引入_size变量记录字符串长度
if (index_ >= strlen(_value->ptr))
{
throw std::out_of_range("String out of range!");
}
return _value->ptr[index_];
}

size_t String::getRefCount() const
{
return _value->refCount;
}

String::StringValue::StringValue(const char* str_)
: refCount(1)
{
ptr = new char[strlen(str_) + 1];
strcpy(ptr, str_);
}

String::StringValue::~StringValue()
{
if (ptr != nullptr)
{
delete[] ptr;
}
}

问题1：

在这里，仅仅重载了运算符[]的const版本，因为这份代码对读操作是正常的，但涉及写时就会出现和预期不一致的问题，因为多个String共享一个字符串，如果其中一个String变量修改字符串，其结果是，所有String的字符串都被修改了.例如，以下代码（没有提供运算符non-const重载，实际上无法通过编译，仅用于解释上述）：

String str1 = "123";
String str2 = str1;
str2[1] = 2;//没有提供运算符non-const重载，该行实际上无法通过编译

对str2的修改，str1内容也会发生变化.

String str1 = "123";
std::cout << str1[2];   //读操作
str1[1] = 2;            //写操作

因为C++编译期无法告诉我们operator[]是被用于读取或写，出于安全，这里假设对operator[]的调用都是写操作，以确保上述代码中的问题不会出现，non-const的operator[]代码如下：

char& operator[](size_t index_);

char& String::operator[](size_t index_)
{
if (index_ >= _value->refCount)
{
throw std::out_of_range("String out of range!");
}

//本对象和其他String对象共享同一个实值
if (_value->refCount > 1)
{
_value->refCount--;

_value = new StringValue(_value->ptr);
}

return _value->ptr[index_];
}

上述对non-const的实现思路：和其它对象共享一份实值，直到我们必须对自己所拥有的那一份实值进行写动作.这个观念在计算机科学领域中有很长的历史，特别是在操作系统领域，各进程（process）之间往往允许共享某些内存分页（memory pages），直到它们打算修改属于自己的那一分页.这项技术是如此普及，因而有一个专用名称：copy-on-write（写时才复制）.这是提升效率的一般化做法（也就是lazy evaluation，缓式评估）中的一剂特效药.

问题2：

String s1 = "123456";
char* p = &s1[1];
String s2 = s1;
*p = '8';//希望修改s1[1],结果是s1,s2均修改了

如上述代码，non-const的operator[]在上述代码前，就会出现问题.

解决该问题的一个思路：为每一个StringValue对象加上一个标志（flag）变量，用于指示可否被共享.一开始，我们先竖立此标志（表示对象可被共享），但只要non-const operator[]作用域对象值身上就将标志清除.一旦标志被清除（设为false），可能永远不再改变状态.

需修改的代码如下：

struct StringValue
{
size_t refCount;
bool shareable; //新增此行
char* ptr;

StringValue(const char* str_);

~StringValue();
};

String::StringValue::StringValue(const char* str_)
: refCount(1),
shareable(true) //新增此行
{
ptr = new char[strlen(str_) + 1];
strcpy(ptr, str_);
}

String::String(const String& str_)
{
if (str_._value->shareable) //加入判断条件
{
_value = str_._value;
++_value->refCount;
}
else
{
_value = new StringValue(str_._value->ptr);
}
}

char& String::operator[](size_t index_)
{
...
_value->shareable = false;      //新增此行
return _value->ptr[index_];
}

上述两个问题的解决，都是以数据安全为前提，由此无法完全做到写时才复制（copy-on-write），其根本原因是，C++编译期无法告诉我们operator[]被用于读取或写（通过代理类（proxy class（代理类））可以解决这个问题）.

问题3

看下述代码：

void printRefCount(const String& s)
{
std::cout << s.getRefCount() << std::endl;
}

int main(){
{
String s1 = "123456";
printRefCount(s1);
String s2 = s1;
char* p = &s2[1];
printRefCount(s1);
printRefCount(s2);
String s3;
s3 = s2;
printRefCount(s3);
}

system("pause");
return 0;
}

输出：



由于代码：

char* p = &s2[1];

导致s2不可以被共享，因此复制运算符函数为：

String& String::operator=(const String& str_)
{
/*
//这样写存在问题，例如str2 = str3; str2 = str3;即重复一次，
//如果是这种写法，那么会执行后续代码一次，虽然结果是对的
//但造成了不必要的运行消耗
if (this != &str_)
{
return *this;
}*/
if (_value == str_._value)
{
return *this;
}

std::cout << "operator=" << std::endl;

if (--_value->refCount == 0)
{
delete _value;
}

if (str_.isShareable())
{
_value = str_._value;
++_value->refCount;
}
else
{
_value = new StringValue(str_._value.ptr);
}

return *this;
}

全部代码：

class String
{
public:
String(const char* str_ = "");

String(const String& str_);

String& operator=(const String& str_);

~String();

public:
const char& operator[](size_t index_) const;

char& operator[](size_t index_);

public:
size_t getRefCount() const;

private:
struct StringValue
{
size_t refCount;
bool shareable;
char* ptr;

StringValue(const char* str_);

~StringValue();
};

StringValue* _value;
};

String::String(const char* str_ /* = "" */)
: _value(new StringValue(str_))
{
}

String::String(const String& str_)
{
if (_value->shareable)
{
_value = str_._value;
++_value->refCount;
}
else
{
_value = new StringValue(str_._value->ptr);
}
}

String& String::operator=(const String& str_)
{
/*
//这样写存在问题，例如str2 = str3; str2 = str3;即重复一次，
//如果是这种写法，那么会执行后续代码一次，虽然结果是对的
//但造成了不必要的运行消耗
if (this != &str_)
{
return *this;
}*/
if (_value == str_._value)
{
return *this;
}

std::cout << "operator=" << std::endl;

if (--_value->refCount == 0)
{
delete _value;
}

if (str_.isShareable())
{
_value = str_._value;
++_value->refCount;
}
else
{
_value = new StringValue(str_._value.ptr);
}

return *this;
}

String::~String()
{
if (--_value->refCount == 0)
{
delete _value;
}
}

const char& String::operator[](size_t index_) const
{
//为了简化代码，不引入_size变量记录字符串长度
if (index_ >= strlen(_value->ptr))
{
throw std::out_of_range("String out of range!");
}
return _value->ptr[index_];
}

char& String::operator[](size_t index_)
{
if (index_ >= strlen(_value->ptr))
{
throw std::out_of_range("String out of range!");
}

//本对象和其他String对象共享同一个实值
if (_value->refCount > 1)
{
_value->refCount--;

_value = new StringValue(_value->ptr);
}

_value->shareable = false;
return _value->ptr[index_];
}

size_t String::getRefCount() const
{
return _value->refCount;
}

String::StringValue::StringValue(const char* str_)
: refCount(1),
shareable(true)
{
ptr = new char[strlen(str_) + 1];
strcpy(ptr, str_);
}

String::StringValue::~StringValue()
{
if (ptr != nullptr)
{
delete[] ptr;
}
}

注：以上内容是阅读< < more effective C++> > item 30 的总结；