实现一个支持写时复制（Copy-On-Write）的安全字符串类

题目

实现一个支持写时复制（Copy-On-Write）的安全字符串类

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐⭐

考点

指针与引用,内存管理,拷贝控制,移动语义,多线程安全

快速回答

实现要点：

• 使用智能指针管理引用计数和共享数据
• 实现深拷贝构造函数和移动构造函数
• 写操作前检查引用计数执行写时复制
• 操作符重载保证边界安全
• 使用std::atomic保证线程安全

原理说明

写时复制（COW）通过共享数据减少拷贝开销，仅在修改时创建副本。核心挑战：

1. 引用计数管理共享内存
2. 写操作前的深拷贝触发条件
3. 线程安全的引用计数更新
4. 避免悬垂指针和内存泄漏

代码实现

#include <memory>
#include <atomic>
#include <cstring>

class CowString {
    struct Data {
        std::atomic<int> ref_count;
        char* buffer;
        size_t length;

        Data(const char* str, size_t len) 
            : ref_count(1), length(len) {
            buffer = new char[len + 1];
            memcpy(buffer, str, len);
            buffer[len] = '\0';
        }

        ~Data() { delete[] buffer; }
    };

    std::shared_ptr<Data> data;

    // 写前复制检查
    void detach() {
        if (data && data->ref_count > 1) {
            Data* new_data = new Data(data->buffer, data->length);
            data = std::shared_ptr<Data>(new_data);
        }
    }

public:
    // 构造函数
    explicit CowString(const char* str = "") {
        size_t len = strlen(str);
        data = std::make_shared<Data>(str, len);
    }

    // 拷贝构造函数（共享数据）
    CowString(const CowString& other) noexcept 
        : data(other.data) {
        if (data) data->ref_count++;
    }

    // 移动构造函数（转移所有权）
    CowString(CowString&& other) noexcept 
        : data(std::move(other.data)) {}

    // 写操作示例：修改字符
    char& operator[](size_t index) {
        if (index >= data->length) throw std::out_of_range("Index out of range");
        detach();  // 触发COW
        return data->buffer[index];
    }

    // 读操作示例：不触发复制
    const char& operator[](size_t index) const {
        if (index >= data->length) throw std::out_of_range("Index out of range");
        return data->buffer[index];
    }

    // 赋值运算符
    CowString& operator=(const CowString& other) {
        if (this != &other) {
            data = other.data;
            if (data) data->ref_count++;
        }
        return *this;
    }

    const char* c_str() const { 
        return data ? data->buffer : ""; 
    }
};

最佳实践

• 智能指针管理：使用std::shared_ptr自动处理引用计数和内存释放
• 写时复制优化：detach()方法在修改前检查引用计数
• 线程安全：std::atomic保证引用计数操作的原子性
• 异常安全：构造函数中分配内存失败会自动抛出异常

常见错误

扩展知识

• 短字符串优化(SSO)：小型字符串直接存储在对象内部避免堆分配
• 多读少写场景：COW在并发读取时性能优势明显，但频繁写入会降低性能
• C++11移动语义：移动构造函数通过转移所有权避免COW开销
• 性能权衡：现代CPU中COW可能因原子操作开销劣于直接拷贝，需根据场景选择