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C++应用引用计数技术

原作者: [db:作者] 来自: [db:来源] 收藏 邀请

因为Windows的内核对象也运用了引用计数，所以稍作了解并非无用。

引用计数可以让多个对象共享一个数据，而且免除了跟踪控制权的负担，让对象自己管理自己，当再没有被使用时可以自动删除，也算是一种简易的垃圾回收机制。

另一方面，如果有N多个相同的对象：○=○=○=○=...=○=○ 这样的做法是臃肿且无聊的，所以一个好的做法就是让对象可以共享这一个数据。既可以节省内存，又可以提高效率让程序负担更少，不用构造和析构这个值对象的拷贝了。


1 String a, b, c, d, e;
2 a=b=c=d=e="hello";


1 String& String::operator=(const String &rhs)
2 {
3     if (data==&rhs) return *this;  //防止自我赋值
4      delete [] data;
5     data = new char[strlen(rhs.data)+1)];
6     strcpy(data, rhs.data);
7     return *this;
8 }

用图显示的话，即：

当a被赋予了另外的值，a="world"; 这时候不能删除这个Hello，应外仍然存在bcde，4个对象在共享这个数据；另外，当只有1个对象x在用这个Hello，而x已经超过了其生存期，没有其他对象指向这个Hello的时候，我们需要删除这个Hello确保不发生资源泄漏。这也就意味着引入引用计数后，图将改变成这样：

 

  • 实现引用计数

应该是每一个String值对应一个计数数值，而不是String对象对应一个引用计数。接下来，新建一个嵌套类StringValue来保存计数和其跟踪的值。

String.h 

 1 #include <string>
 2 
 3  class String {
 4  public:
 5     String(const char *initValue="");
 6     String& String::operator=(const String &rhs);
 7 
 8  private:
 9     // StringValue的主要目的是提供一个空间将一个特别的值和共
10     // 享此值的对象的数目联系起来
11     struct StringValue    //嵌套类，引用计数
12     { 
13         int refCount; //计数数值
14         char *data;
15         StringValue (const char* initValue);
16         ~StringValue();
17     };  
18     StringValue *value;
19 };
String.cpp 

 1 #include "String.h"
 2 
 3 String::StringValue::StringValue(const char* initValue)
 4     :refCount(1)
 5 {
 6     data = new char[strlen(initValue)+1];
 7     strcpy(data, initValue);
 8 }
 9 
10 String::StringValue::~StringValue()
11 {
12     delete [] data;
13 }
14 
15 String::String(const char *initValue)
16     :value(new StringValue(initValue))
17 {
18 
19 }

而这样做通常会产生一个问题，

String s1("More Effective C++");

String s2("More Effective C++");

将会变成这样的数据结构：

想办法改进一下：

控制副本的简单实现 

 1 list<string> String::StringValue::independObj; //独立对象
 2  String::StringValue::StringValue(const char* initValue)
 3     :refCount(1)
 4 {
 5     typedef list<string>::iterator lsp;
 6     lsp p = find(independObj.begin(), independObj.end(), string(initValue));
 7     if (p==independObj.end()||independObj.empty())
 8     {//未找到对象，新建
 9          data = new char[strlen(initValue)+1];
10         strcpy(data, initValue);
11         independObj.push_back(string(data));
12     }
13     else
14    ｛
15          // do something...
16      ｝
17 }

接下来看下String类的拷贝构造函数


String::String(const String& rhs) 
    : value(rhs.value) 
{ 
++value->refCount; 
}

当这样构造2个对象：

String s1("More Effective C++");

String s2(s1);

就会产生这样的数据结构，其代价是非常低廉的，省去了新对象的构造（不必分配新内存和把内容拷贝到这块内存中）和之后的析构（不必释放那块内存），仅仅是使计数+1和拷贝了下指针

拷贝构造函数之后看下析构函数


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

即，当被引用的对象还有其他共享对象时，仅把计数-1；而当没有其他共享对象时，才彻底将引用对象析构掉。接着，是重载赋值操作符，稍微有些复杂


String& String::operator=(const String &rhs)
{
if (value == rhs.value) //赋值的是其本身
        return *this;       //什么也不做
    if (--value->refCount == 0)  //如果只有当前对象在共享那个数据
        delete value;            //则删除掉，因为即将被赋予新的引用。不是的话，仅将计数-1
    value = rhs.value;  //赋值操作
    ++value->refCount;  //计数器+1
    return *this;
}
  • 写时拷贝

const版本的下标操作仅仅是只读的，不会对引用对象做出修改


const char& String::operator[](int index) const  //const版本
{
//需下标溢出检查
    return value->data[index];
}

需要考虑的是非const版本的下标操作，因为C++编译器无法告诉我们非const的operator[]是会被用来读还是写操作。所以我们保守地认为所有的操作都是“写”的。


char& String::operator[](int index)  //非const版本
{
if (value.refCount>1) //如果引用对象不止一个
    {
--value.refCount; //计数减一，相当于把这个引用删除了
        value = new StringValue(value->data); //重新申请一份新的拷贝
    }
return value->data[index];
}

这个思想就是：“与其他对象共享的一个值直到写操作时才拥有自己的拷贝”。即，lazy原则的特例。

  • 指针、引用与写时拷贝

在大部分情况下都能满足以上的应用，可是唯一情况却颇为棘手，比如

String s1("More Effective C++");

char* p=&s1;

String s2 = s1;

拷贝构造函数让s2和s1共享这个对象，这时候的数据结构为

如果写下这样一句： p[1]='X'; //将同时修改s1和s2的内容！String 的拷贝构造函数无法检测出s1拥有指向StringValue指针的存在。该问题的一个解决方法就是：在每个StringValue中增加一个标志，表示该对象是否可以被共享。在最初是ture状态，而在调用了非const的operator[]之后则设置成false，且之后永远置于false状态。

追加共享标志位的String 

 1 class String {
 2  public:
 3     String(const char *initValue="");
 4     String(const String& rhs);
 5     String& operator=(const String &rhs);
 6     ~String();
 7     const char& operator[](int index) const; 
 8     char& operator[](int index);             
 9 
10  private:
11     struct StringValue    
12     { 
13         int refCount; 
14         char *data;
15         bool shareable; //追加
16         StringValue (const char* initValue);
17         ~StringValue();
18     };  
19     StringValue *value;
20 };
21 
22 //--------------------------------------------------------------------
23 
24 String::StringValue::StringValue(const char* initValue)
25     :refCount(1), 
26     shareable(true) //追加
27 {
28     
29         data = new char[strlen(initValue)+1];
30         strcpy(data, initValue);
31         independObj.push_back(string(data));
32     
33 }
34 
35 String::String(const String& rhs) //追加
36 {
37     if (rhs.value->shareable)
38     {
39         value = rhs.value;
40         ++value.refCount;
41     }
42     else
43     {
44         value = new StringValue(rhs.value->data);
45     }
46 }
47 
48 char& String::operator[](int index)  
49 {
50 
51     if (value.refCount>1) 
52     {
53         --value.refCount; 
54         value = new StringValue(value->data); 
55     }
56     value.shareable = false;  //追加
57     return value->data[index];
58 }
  • 带引用计数的基类

引用计数不仅运用在字符串类上，只要是多个对象共享相同值的类都可以。

构建一个基类(RCObject)，任何需要引用计数的类都必须继承自此类。由RCObject类封装引用计数功能。

 

RCObject.h
RCObject.cpp 

 1 #include "RCObject.h"
 2 
 3 RCObject::RCObject() : refCount(0), shareable(true) {  }
 4 RCObject::RCObject(const RCObject& rhs) : refCount(0), shareable(true) {  }
 5 RCObject& RCObject::operator= (const RCObject& rhs)  { return *this; }
 6 RCObject::~RCObject() { }
 7  void RCObject::addReference() { ++refCount; }
 8  void RCObject::removeReference()  { if (--refCount==0) delete this; }
 9  void RCObject::markUnshareable()  { shareable = false; }
10 bool RCObject::isShareable() const { return shareable; }
11 bool RCObject::isShared() const { return refCount>1; }
  • 自动引用计数处理

 

RCObject类给了我们一个存储引用计数的地方，并提供了成员函数供我们操作引用计数，但调用这些函数的动作还必须被手工加入其它类中。仍然需要在String的拷贝构造函数和赋值运算函数中调用StringValue的addReference和 removeReference函数。这很笨拙。

StringValue *value; 必须操作StringValue对象的refCount字段。是否能够让指针自身检测发生复制拷贝，赋值操作，析构操作此类事件，而对于计数经行修改的操作呢？答案是否定的。代替的方法就是利用智能指针。

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