一、什么是寫時(shí)拷貝

寫入時(shí)復(fù)制是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域的優(yōu)化策略。其核心思想是，如果有多個(gè)調(diào)用者同時(shí)請(qǐng)求相同資源（如內(nèi)存或磁盤上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)），他們會(huì)共同獲取相同的指針指向相同的資源，直到某個(gè)調(diào)用者試圖修改資源的內(nèi)容時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)真正復(fù)制一份專用副本（private copy）給該調(diào)用者，而其他調(diào)用者所見到的最初的資源仍然保持不變。
這個(gè)過(guò)程對(duì)其他的調(diào)用者是透明的（transparently）。

此作法的主要優(yōu)點(diǎn)是如果調(diào)用者沒(méi)有修改該資源，就不會(huì)有副本被建立，因此多個(gè)調(diào)用者只是讀取操作是可以共享同一份資源。

寫時(shí)拷貝技術(shù)是一種很重要的優(yōu)化手段，核心是懶惰處理實(shí)體資源請(qǐng)求，在多個(gè)實(shí)體資源之間只是共享資源，起初是并不真正實(shí)現(xiàn)資源拷貝，

只有當(dāng)實(shí)體有需要對(duì)資源進(jìn)行修改時(shí)才真正為實(shí)體分配私有資源。但寫時(shí)拷貝技術(shù)技術(shù)也有它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

1、寫時(shí)拷貝技術(shù)可以減少分配和復(fù)制大量資源時(shí)帶來(lái)的瞬間延時(shí)，但實(shí)際上是將這種延時(shí)附加到了后續(xù)的操作之中。

2、寫時(shí)拷貝技術(shù)可以減少不必要的資源分配。比如fork進(jìn)程時(shí)，并不是所有的頁(yè)面都需要復(fù)制，父進(jìn)程的代碼段和只讀數(shù)據(jù)段都不被允許修改，所以無(wú)需復(fù)制。

二、寫時(shí)拷貝技術(shù)的應(yīng)用

1、虛擬內(nèi)存管理中的寫時(shí)復(fù)制

一般把這種被共享訪問(wèn)的頁(yè)面標(biāo)記為只讀。當(dāng)一個(gè)task試圖向內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)存管理單元（MMU）拋出一個(gè)異常，內(nèi)核處理該異常時(shí)為該task分配一份物理內(nèi)存并復(fù)制數(shù)據(jù)到此內(nèi)存，

重新向MMU發(fā)出執(zhí)行該task的寫操作。

比如Linux的fork()使用寫時(shí)拷貝頁(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)新進(jìn)程的創(chuàng)建，它是一種可推遲甚至避免數(shù)據(jù)拷貝的技術(shù)，開始時(shí)內(nèi)核并不會(huì)復(fù)制整個(gè)地址空間，而是讓父子進(jìn)程共享地址空間，只有在寫時(shí)才復(fù)制地址空間，使得父子進(jìn)程都擁有獨(dú)立的地址空間，即資源的復(fù)制是在只有需要寫入時(shí)才會(huì)發(fā)生。在此之前都是以讀的方式去和父進(jìn)程共享資源，這樣，在頁(yè)根本不會(huì)被寫入的場(chǎng)景下，fork()立即執(zhí)行exec()，無(wú)需對(duì)地址空間進(jìn)行復(fù)制，fork()的實(shí)際開銷就是復(fù)制父進(jìn)程的一個(gè)頁(yè)表和為子進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程描述符，也就是說(shuō)只有當(dāng)進(jìn)程空間中各段的內(nèi)存內(nèi)容發(fā)生變化時(shí)，父進(jìn)程才將其內(nèi)容復(fù)制一份傳給子進(jìn)程，大大提高了效率。

2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的寫時(shí)復(fù)制

　　Linux等的文件管理系統(tǒng)使用了寫時(shí)復(fù)制策略。

　　舉個(gè)例子，比如我們有個(gè)程序要寫文件，不斷地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的數(shù)據(jù)寫，如果每一次fwrite或是fprintf都要進(jìn)行一個(gè)磁盤的I/O操作的話，都簡(jiǎn)直就是性能上巨大的損失，

　　因此通常的做法是，每次寫文件操作都寫在特定大小的一塊內(nèi)存中（磁盤緩存），只有當(dāng)我們關(guān)閉文件時(shí)，才寫到磁盤上（這就是為什么如果文件不關(guān)閉，所寫的東西會(huì)丟失的原因）

3、軟件應(yīng)用中的寫時(shí)復(fù)制

在我們經(jīng)常使用的STL標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)中的string類，也是一個(gè)具有寫時(shí)才拷貝技術(shù)的類。為了提高性能，STL中的許多類都采用了寫時(shí)拷貝技術(shù)。但是在C++11標(biāo)準(zhǔn)中為了提高并行性取消了這一策略

class String
{
public:
  //構(gòu)造函數(shù)（分存內(nèi)存）
  String(char* tmp)
  {
    _Len = strlen(tmp);
    _Ptr = new char[_Len + 1 + 1];
    strcpy(_Ptr, tmp);
    // 在數(shù)組尾部設(shè)置引用計(jì)數(shù)
    _Ptr[_Len + 1] = 0; 
  }
  //析構(gòu)函數(shù)
  ~String()
  {
    //引用計(jì)數(shù)減一
    _Ptr[_Len + 1]--; 
    // 引用計(jì)數(shù)為0時(shí)，釋放內(nèi)存
    if (_Ptr[_Len + 1] == 0)
    {
      delete[] _Ptr;
    }
  }

  //拷貝構(gòu)造（共享內(nèi)存）
  String(string& str)
  {
    if (this->_Ptr != str)
    {
      //共享內(nèi)存,.data()返回的是將string的類型轉(zhuǎn)換成char類型的指針
      const char *p = str.c_str();
      char* pp;
      strcmp(pp, p);
      this->_Ptr = pp; 
      this->_Len = str.size();
      this->_Ptr[_Len + 1] ++; //引用計(jì)數(shù)加一

    }
  }

  //對(duì)[]符進(jìn)行重載，對(duì)字符串進(jìn)行操作的時(shí)候，開始寫時(shí)復(fù)制
  char& operator[](unsigned int idx)
  {
    if (idx > _Len || _Ptr == 0)
    {
      static char nullchar = 0;
      return nullchar;
    }
    //引用計(jì)數(shù)減一
    _Ptr[_Len + 1]--; 

    char* tmp = new char[_Len + 1 + 1];

    strncpy(tmp, _Ptr, _Len + 1);

    _Ptr = tmp;
    // 設(shè)置新的共享內(nèi)存的引用計(jì)數(shù)
    _Ptr[_Len + 1] = 0; 
    return _Ptr[idx];
  }

private:
  int _Len;
  char* _Ptr;
};

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