C++之memcpy導(dǎo)致的深拷貝問題分析
代碼與講解承接上文：C++之vector深度剖析及模擬實(shí)現(xiàn)
memcpy：更深一層次的深淺拷貝問題
/* 自定義類型 */
void test_vector5()
{
vector<string> v;
v.push_back("11111111111111111111111111111");
v.push_back("22222222222222222222222222222");
v.push_back("33333333333333333333333333333");
v.push_back("44444444444444444444444444444");
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}打印結(jié)果是 3 和 4 沒有問題，但是 1 和 2 都是亂碼。是擴(kuò)容時(shí)出現(xiàn)了問題。
void reserve(size_t n)
{
// 提前算好size，不然后續(xù)會(huì)改變 _start 位置，就算不了size了
size_t sz = size();
if (n > capacity())
{
T* tmp = new T[n];
if (_start) //防止第一次進(jìn)來_start為空，memcpy出錯(cuò)
{
memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz);
delete[] _start;/* 這里出現(xiàn)了問題 */
}
_start = tmp;
_finish = tmp + sz;
_endofstorage = tmp + n;
}
}問題分析
- memcpy是內(nèi)存的二進(jìn)制格式拷貝，將一段內(nèi)存空間中內(nèi)容原封不動(dòng)的拷貝到另外一段內(nèi)存空間中
- 如果拷貝的是自定義類型的元素，memcpy既高效又不會(huì)出錯(cuò)，但如果拷貝的是自定義類型元素，并且自定義類型元素中涉及到資源管理時(shí)，就會(huì)出錯(cuò)，因?yàn)閙emcpy的拷貝實(shí)際是淺拷貝。
問題根源：memcpy 的淺拷貝特性
memcpy 函數(shù)執(zhí)行的是逐字節(jié)的淺拷貝，它只是簡單地將內(nèi)存中的字節(jié)從一個(gè)位置復(fù)制到另一個(gè)位置，而不會(huì)調(diào)用任何構(gòu)造函數(shù)或賦值運(yùn)算符。
對于 vector<string> 這種情況：
- 每個(gè)
string對象內(nèi)部包含指向?qū)嶋H字符串?dāng)?shù)據(jù)的指針 - 使用
memcpy時(shí)，只是復(fù)制了這些指針值，而不是指針指向的實(shí)際字符串?dāng)?shù)據(jù) - 當(dāng)原 vector 被銷毀時(shí)，原
string對象會(huì)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)釋放它們指向的內(nèi)存 - 但新 vector 中的
string對象仍然指向已被釋放的內(nèi)存區(qū)域，導(dǎo)致懸空指針 - 訪問這些懸空指針指向的內(nèi)存就是未定義行為，表現(xiàn)為亂碼或程序崩潰
解決方案：使用循環(huán)賦值實(shí)現(xiàn)深拷貝
當(dāng)將擴(kuò)容代碼改為：
void reserve(size_t n)
{
// 提前算好size，不然后續(xù)會(huì)改變 _start 位置，就算不了size了
size_t sz = size();
if (n > capacity())
{
T* tmp = new T[n];
if (_start) //防止第一次進(jìn)來_start為空，memcpy出錯(cuò)
{
// memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz); 拷貝自定義類型時(shí)會(huì)導(dǎo)致淺拷貝問題
for (size_t i = 0; i < sz; ++i)
{
tmp[i] = _start[i];
}
delete[] _start;
}
_start = tmp;
_finish = tmp + sz;
_endofstorage = tmp + n;
}
}這里發(fā)生了以下關(guān)鍵變化：
- 調(diào)用了賦值運(yùn)算符：對于每個(gè)元素，都會(huì)調(diào)用
string::operator=，這是一個(gè)深拷貝操作 - 創(chuàng)建獨(dú)立副本：每個(gè)新
string對象都會(huì)分配自己的內(nèi)存并復(fù)制字符串內(nèi)容 - 避免懸空指針：新舊 vector 中的
string對象指向不同的內(nèi)存區(qū)域，互不影響
Vector 的內(nèi)存布局
當(dāng)你創(chuàng)建一個(gè)vector<string>時(shí)，內(nèi)存布局是這樣的：
_vector 對象本身: _start -> [string對象1][string對象2][string對象3][string對象4]... _finish -> 指向最后一個(gè)元素的下一個(gè)位置 _endofstorage -> 指向分配的內(nèi)存塊的末尾
關(guān)鍵點(diǎn)是：vector 存儲(chǔ)的是 string 對象本身，而不是指向 string 對象的指針。這些 string 對象在內(nèi)存中是連續(xù)存儲(chǔ)的。
“Vector 存儲(chǔ)的是 string 對象本身”的含義
（下圖中的string類成員是假設(shè)出來的，實(shí)際成員可能不一樣，但內(nèi)存布局是一樣的）
_start[0] 這個(gè)內(nèi)存位置存儲(chǔ)的是： [ char* _str | size_t _size | size_t _capacity | ...其他成員 ]
更詳細(xì)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖說明：
Vector內(nèi)存布局 (棧上或堆上)
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ _start指針 │ 指向vector內(nèi)部數(shù)組的起始位置 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ _finish指針 │ 指向最后一個(gè)元素的下一個(gè)位置 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│_endofstorage指針│ 指向分配的內(nèi)存塊的末尾 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
↓
┌─────────┬─────────┬─────────┬─────────┐ ← vector內(nèi)部數(shù)組（在堆上）
│ string0 │ string1 │ string2 │ string3 │
└─────────┴─────────┴─────────┴─────────┘
│ │ │ │
│ │ │ │
▼ ▼ ▼ ▼
┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ← 每個(gè)string對象的_str成員指向的
│"1111│ │"2222│ │"3333│ │"4444│ 字符串?dāng)?shù)據(jù)（也在堆上，但不同位置）
└─────┘ └─────┘ └─────┘ └─────┘關(guān)鍵點(diǎn)分解
vector的對象數(shù)組：當(dāng)你創(chuàng)建vector<string> v(4)時(shí)，vector會(huì)在堆上分配一塊足夠大的連續(xù)內(nèi)存，用來存放4個(gè)完整的string對象。
每個(gè)string對象：這塊內(nèi)存中的每個(gè)"格子"都包含一個(gè)完整的string對象，包括：
char* _str（指針，通常4或8字節(jié)）size_t _size（通常4或8字節(jié)）size_t _capacity（通常4或8字節(jié)）
可能的其他成員變量
字符串?dāng)?shù)據(jù)：每個(gè)string對象的_str成員指向另一塊堆內(nèi)存，那里存儲(chǔ)著實(shí)際的字符串內(nèi)容（"1111", "2222"等）。
為什么循環(huán)賦值有效
現(xiàn)在讓我們看看循環(huán)：
for (size_t i = 0; i < sz; ++i)
{
tmp[i] = _start[i];
}對于每次迭代：
_start[i]獲取第i個(gè)string對象tmp[i]獲取新數(shù)組中第i個(gè)位置（此時(shí)可能是一個(gè)未初始化的string對象）- 調(diào)用string的賦值運(yùn)算符
string::operator=，將右側(cè)string的內(nèi)容復(fù)制到左側(cè)string
重要的是：這不是簡單的內(nèi)存拷貝，而是調(diào)用了string類的賦值運(yùn)算符，它會(huì)進(jìn)行深拷貝 - 分配新的內(nèi)存并復(fù)制字符串內(nèi)容。
重新理解拷貝問題
現(xiàn)在我們就能明白為什么memcpy有問題而循環(huán)賦值正確了：
memcpy：只復(fù)制了vector數(shù)組內(nèi)存塊（包含string對象的成員變量），包括復(fù)制了_str指針值。結(jié)果是新舊vector中的string對象指向相同的字符串?dāng)?shù)據(jù)內(nèi)存。
循環(huán)賦值：tmp[i] = _start[i]調(diào)用了string的賦值運(yùn)算符，這個(gè)運(yùn)算符會(huì)：
- 釋放
tmp[i]原有資源（如果有） - 為新的字符串?dāng)?shù)據(jù)分配內(nèi)存
- 復(fù)制字符串內(nèi)容
- 更新size和capacity成員
一個(gè)很好的驗(yàn)證方式
我們可以添加一些調(diào)試輸出來驗(yàn)證這個(gè)理解：
void test_debug() {
vector<string> v;
v.push_back("dfb");
v.push_back("asdf ds akjfhksdhfkhasdfkhskdfhk");
v.push_back("12bbbbbb6161rtb616t1b6r1t6516161bbb");
v.push_back("646asdg56as6dg65s16551agsd");
cout << "Address of vector array: " << (void*)v.begin() << endl;
for (int i = 0; i < v.size(); i++) {
cout << "Address of string object " << i << ": " << (void*)&v[i] << endl;
cout << "Address of string data " << i << ": " << (void*)v[i].c_str() << endl;
cout << "Sizeof(string): " << sizeof(string) << endl;
}
}這個(gè)代碼會(huì)顯示string對象本身是連續(xù)存儲(chǔ)的，但每個(gè)string對象指向的字符串?dāng)?shù)據(jù)在不同的內(nèi)存地址。
為什么標(biāo)準(zhǔn)庫vector沒有這個(gè)問題
標(biāo)準(zhǔn)庫的 std::vector 使用了一種叫做"類型特質(zhì)(type traits)"的技術(shù)，能夠識(shí)別類型是否是"平凡可拷貝(trivially copyable)"的。
對于平凡可拷貝的類型（如基本數(shù)據(jù)類型、簡單結(jié)構(gòu)體），它使用 memcpy 等高效方法；對于非平凡類型（如 string），它會(huì)調(diào)用拷貝構(gòu)造函數(shù)或賦值運(yùn)算符。
總結(jié)
以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。
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