【C++】C++浅拷贝、深拷贝及引用计数浅析

ゞ浴缸里的玫瑰 2022-08-09 11:55 176阅读 0赞

在C++开发中，经常遇到的一个问题就是与指针相关的内存管理问题，稍有不慎，就会造成内存泄露、内存破坏等严重的问题。不像Java一样，没有指针这个概念，所以也就不必担心与指针相关的一系列问题，但C++不同，从C语言沿袭下来的指针是其一大特点，我们常常要使用new/delete来动态管理内存，那么问题来了，特别是伴随着C++的继承机制，如野指针、无效指针使用、内存泄露、double free、堆碎片等等，这些问题就像地雷一样，一不小心就会踩那么几颗。

先来谈一下C++类中常见的浅拷贝问题，以及由此引发的double free。什么是浅拷贝？当类中的成员变量包括指针时，而又没有定义自己的拷贝构造函数，那么在拷贝一个对象的情况下，就会调用其默认拷贝构造函数，其实这个函数没做什么事，只是对其成员变量作了个简单的拷贝，也就是所谓的位拷贝，它们指向的还是同一个存储空间，当对象析构时，就会析构多次，也就是double free，下面举例说明。

class Common
    { public: Common() { std::cout << "Common::Common" << std::endl; }
    
        Common(const Common &r)
        { std::cout << "Common::Common copy-constructor" << std::endl; }
    
        ~Common()
        { std::cout << "Common::~Common" << std::endl; }
    };

类Common是个一般的类，定义了构造、拷贝构造和析构函数，在函数里输出一些log，用以跟踪函数调用情况。

class BitCopy
    {
    public:
        BitCopy()
            : m_p(new Common)
        {
            std::cout << "BitCopy::BitCopy" << std::endl;
        }
    
        ~BitCopy()
        {
            std::cout << "BitCopy::~BitCopy" << std::endl;
            if (m_p) {
                delete m_p;
                m_p = NULL;
            }
        }
    
    private:
        Common *m_p;
    };

类BitCopy就是一个浅拷贝类，成员变量是我们刚定义的类指针，构造函数实例化成员变量，析构函数delete成员变量，没有定义拷贝构造函数。

int main()
    {
     BitCopy a;
     BitCopy b(a);
     return 0;
    }
    log如下：
    Common::Common
    BitCopy::BitCopy
    BitCopy::~BitCopy
    Common::~Common
    BitCopy::~BitCopy
    Common::~Common
    *** Error in `./a.out': double free or corruption (fasttop): 0x0000000001f4e010 ***
    已放弃 (核心已转储)

从上面的log可以看出，对象a调用了构造函数，对象b调用的是默认拷贝构造函数，最后析构了两次，从而造成double free，核心已转储即core dump。

针对以上问题，该怎么解决呢？有两个办法，一个是深拷贝，一个是引用计数。先来看一下深拷贝，深拷贝要定义自己的拷贝构造函数，在函数中给成员变量重新分配存储空间，也就是所谓的值拷贝，这样它们所指向的就是不同的存储空间，析构时不会有问题，但这种方法只适用于较小的数据结构，如果数据结构过大，多次分配存储空间之后，剩余的存储空间将逐渐减小，下面看个例子。

class ValueCopy
    {
    public:
        ValueCopy()
            : m_p(new Common)
        {
            std::cout << "ValueCopy::ValueCopy" << std::endl;
        }
    
        ValueCopy(const ValueCopy &r)
            : m_p(new Common(*r.m_p))
        {
            std::cout << "ValueCopy::ValueCopy copy-constructor" << std::endl;
        }
    
        ~ValueCopy()
        {
            std::cout << "ValueCopy::~ValueCopy" << std::endl;
            if (m_p) {
                delete m_p;
                m_p = NULL;
            }
        }
    
    private:
        Common *m_p;
    };

类ValueCopy是个深拷贝类，与上面例子的浅拷贝类不同的是定义了拷贝构造函数，在函数中给成员变量重新分配存储空间，下面是用法及log。

int main()
    { ValueCopy c; ValueCopy d(c); return 0; }
    Common::Common
    ValueCopy::ValueCopy
    Common::Common copy-constructor ValueCopy::ValueCopy copy-constructor ValueCopy::~ValueCopy
    Common::~Common
    ValueCopy::~ValueCopy
    Common::~Common

从上面的log可以看出，对象c调用了构造函数，对象d调用的是自定义拷贝构造函数，最后析构了两次而没有问题，可见深拷贝的用处所在。

引用计数与深拷贝不同，方法是共享同一块存储空间，这个对大的数据结构比较有利。使用引用计数，需要在类中定义一个成员变量专门用于计数，初始值为1，后面引用了这个对象就加1，对象销毁时引用减1，但并不真正的delete这个对象，只有当这个成员变量的值为0时才进行delete，例子如下。

class A
    {
    public:
        A()
            : m_refCount(1)
        {
            std::cout << "A::A" << std::endl;
        }
    
        A(const A &r)
            : m_refCount(1)
        {
            std::cout << "A::A copy-constructor" << std::endl;
        }
    
        ~A()
        {
            std::cout << "A::~A" << std::endl;
        }
    
        void attach()
        {
            std::cout << "A::attach" << std::endl;
            ++m_refCount;
        }
    
        void detach()
        {
            if (m_refCount != 0) {
                std::cout << "A::detach " << m_refCount << std::endl;
                if (--m_refCount == 0) {
                    delete this;
                }
            }
        }
    
    private:
        int m_refCount;
    };
    
    class B
    {
    public:
        B()
            : m_pA(new A)
        {
            std::cout << "B::B" << std::endl;
        }
    
        B(const B &r)
            : m_pA(r.m_pA)
        {
            std::cout << "B::B copy-constructor" << std::endl;
            m_pA->attach();
        }
    
        ~B()
        {
            std::cout << "B::~B" << std::endl;
            m_pA->detach();
        }
    
    private:
        A* m_pA;
    };

类A用到了引用计数，构造和拷贝构造函数都初始化为1，attach()函数为引用加1，detach()函数为引用减1，当引用计数值为0时delete对象。类B中的成员变量有个指针指向A，拷贝构造函数中调用了attach()，析构函数中调用了detach()，这样也是一种保护，不会有内存泄露，也不会有double free，log如下。

int main()
    {
        B e;
        B f(e);
        return 0;
    }
    A::A
    B::B
    B::B copy-constructor
    A::attach
    B::~B
    A::detach 2
    B::~B
    A::detach 1
    A::~A

从log中可以看出，指针成员变量的引用计数为2，这是正确的，最后正确delete，没有问题。

在类中只要有指针成员变量，就要注意以上问题，另外，operator=这个赋值操作符也要在适当的时候进行重载。有时候，如果想规避以上问题，可以声明拷贝构造函数和operator=操作符为private而不去实现它们。