C++淺拷貝與深拷貝及引用計數分析
在C++開發中，經常遇到的一個問題就是與指針相關的內存管理問題，稍有不慎，就會造成內存泄露、內存破壞等嚴重的問題。不像Java一樣，沒有指針這個概念，所以也就不必擔心與指針相關的一系列問題，但C++不同，從C語言沿襲下來的指針是其一大特點，我們常常要使用new/delete來動態管理內存，那么問題來了，特別是伴隨著C++的繼承機制，如野指針、無效指針使用、內存泄露、double free、堆碎片等等，這些問題就像地雷一樣，一不小心就會踩那么幾顆。
先來談一下C++類中常見的淺拷貝問題，以及由此引發的double free。什么是淺拷貝？當類中的成員變量包括指針時，而又沒有定義自己的拷貝構造函數，那么在拷貝一個對象的情況下，就會調用其默認拷貝構造函數，其實這個函數沒做什么事，只是對其成員變量作了個簡單的拷貝，也就是所謂的位拷貝，它們指向的還是同一個存儲空間，當對象析構時，就會析構多次，也就是double free，下面舉例說明。
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;
}
};
類Common是個一般的類，定義了構造、拷貝構造和析構函數，在函數里輸出一些log，用以跟蹤函數調用情況。
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;
};
類BitCopy就是一個淺拷貝類，成員變量是我們剛定義的類指針，構造函數實例化成員變量，析構函數delete成員變量，沒有定義拷貝構造函數。
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 ***
已放棄 (核心已轉儲)
從上面的log可以看出，對象a調用了構造函數，對象b調用的是默認拷貝構造函數，最后析構了兩次，從而造成double free，核心已轉儲即core dump。
針對以上問題，該怎么解決呢？有兩個辦法，一個是深拷貝，一個是引用計數。先來看一下深拷貝，深拷貝要定義自己的拷貝構造函數，在函數中給成員變量重新分配存儲空間，也就是所謂的值拷貝，這樣它們所指向的就是不同的存儲空間，析構時不會有問題，但這種方法只適用于較小的數據結構，如果數據結構過大，多次分配存儲空間之后，剩余的存儲空間將逐漸減小，
下面看個例子。
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;
};
類ValueCopy是個深拷貝類，與上面例子的淺拷貝類不同的是定義了拷貝構造函數，在函數中給成員變量重新分配存儲空間，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
從上面的log可以看出，對象c調用了構造函數，對象d調用的是自定義拷貝構造函數，最后析構了兩次而沒有問題，可見深拷貝的用處所在。
引用計數與深拷貝不同，方法是共享同一塊存儲空間，這個對大的數據結構比較有利。使用引用計數，需要在類中定義一個成員變量專門用于計數，初始值為1，后面引用了這個對象就加1，對象銷毀時引用減1，但并不真正的delete這個對象，只有當這個成員變量的值為0時才進行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;
};
類A用到了引用計數，構造和拷貝構造函數都初始化為1，attach()函數為引用加1，detach()函數為引用減1，當引用計數值為0時delete對象。類B中的成員變量有個指針指向A，拷貝構造函數中調用了attach()，析構函數中調用了detach()，這樣也是一種保護，不會有內存泄露，也不會有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
從log中可以看出，指針成員變量的引用計數為2，這是正確的，最后正確delete，沒有問題。
在類中只要有指針成員變量，就要注意以上問題，另外，operator=這個賦值操作符也要在適當的時候進行重載。有時候，如果想規避以上問題，可以聲明拷貝構造函數和operator=操作符為private而不去實現它們。
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