(二十五)Qt : 隐式数据共享(copy on write)

本文介绍了QT中使用的隐式数据共享技术原理及其优势。该技术通过浅拷贝与引用计数的方式,最大化资源利用率并减少不必要的数据拷贝,从而提高程序效率。

转自:http://www.cnblogs.com/chengkeke/p/5417385.html

作者:永不停息;

copy on write 意思当内容有变动的时候,才对容器中的数据结构进行复制。否则仅作共享。

QT许多类中使用了隐式数据共享技术,来最大化资源利用率和最小化拷贝时的资源消耗。 在数据传递时,其实只传递了数据的指针,而只有函数发生需要写入的情况时,数据才会拷贝。

说到拷贝不得不说的两种类型:深拷贝与浅拷贝,深拷贝需要拷贝一个类中所有的数据成员,并分配相应的内存,即构造一个新对象。对于cpu和内存都是昂贵的。浅拷贝则只拷贝了相应的对象的指针。隐式共享实质是基于浅拷贝与引用计数而产生的。

具有隐式数据共享的类包含一个共享数据块指针。这个数据块包含了数据本身及数据的引用计数。当共享对象被创建时,引用计数被置为1,当其发生copy操作时,引用计数加1。当对象不再引用时引用计数减1。当引用计数为0时,共享数据被删除。

隐式数据共享的好处,程序不需要不必要的重复数据,减少数据拷贝的需求。重复数据的代价是降低内存使用率。通过数据共享,对象可以简单地作为值来传递以及从函数中返回。

隐式数据共享是在底层完成的,程序人员无需关心。我们可以使用QSharedData 和QSharedDataPointer类实现自己的隐式数据共享类。


<think> 我们正在讨论Qt共享机制。根据用户提供的引用,我们需要详细介绍Qt共享,包括其工作原理、优势、潜在问题以及使用注意事项。 引用内容总结: [^1]:共享(写时复制)可能带来陷阱,记录了一个项目中的BUG。 [^2]:共享是Qt对值类(如QImage和QString)的优化,从Qt4开始可以跨线程安全复制,是可重入的(但非线程安全)。 [^3]:共享使得Qt的容器类与STL容器类不同,复制容器时共享数据,直到修改时才分离(深拷贝)。 [^4]:通过QString示例展示共享行为:初始复制共享数据,修改str2时先分离(深拷贝)再修改,不影响原str1,直到再次赋值才共享同一数据。 [^5]:共享类在即将更改时自动从公共数据中分离,程序员可以像使用独立对象一样使用它们,同时享受共享数据带来的好处。 回答结构: 1. 共享的定义与目的 2. 工作原理(重点:写时复制) 3. 示例代码说明(参考引用[4]的QString示例) 4. 共享的优缺点 5. 使用注意事项(特别是引用[1]提到的陷阱) 6. 相关问题 注意:使用中文,按指令格要求处理数学表达(虽然本问题可能涉及较少数学公,但如果有公则按规则),生成相关问题。 </think> ### Qt共享机制详解 Qt共享(Implicit Sharing)是一种优化内存和性能的核心技术,也称为**写时复制(Copy-On-Write,COW)**。以下是其关键原理和特性: #### 1. 核心工作原理 - **数据共享阶段** 当复制对象时(如赋值或传值),新对象与原对象**共享同一数据块**: ```cpp QString str1 = "Hello"; QString str2 = str1; // 共享数据,引用计数+1 [^4][^5] ``` 此时内存状态: ``` str1 → [数据块A] (引用计数=2) str2 ↗ ``` - **写时分离阶段** 当尝试修改对象时,自动触发**深拷贝**: ```cpp str2[0] = 'h'; // 触发分离,创建新数据块 ``` 内存变为: ``` str1 → [数据块A] (引用计数=1) str2 → [新数据块B] (内容修改为"hello") ``` #### 2. 技术优势 | **特性** | **说明** | **效果** | |---------|---------|---------| | **内存优化** | 只读操作不复制数据 | 减少冗余内存占用 | | **性能提升** | 避免不必要的深拷贝 | 对象传递效率接近指针[^2] | | **API简洁性** | 允许值语义传递 | 使用类似基本类型 | #### 3. 典型应用类 Qt中实现共享的核心类包括: ``` QString, QByteArray, QImage, QPixmap, QMap, QVector, QList ``` #### 4. 重要特性 1. **线程安全** 虽然共享类**非线程安全**,但从Qt 4开始支持**跨线程复制**(可重入)[^2]: ```cpp // 线程A QString data = getData(); // 线程B(安全复制) QFuture<void> future = QtConcurrent::run([data]{ process(data); // 触发COW创建独立副本 }); ``` 2. **分离条件** 数据分离仅在**非const操作**时触发: ```cpp const QString& cref = str1; qDebug() << cref[0]; // 不会分离(const访问) str1[0] = 'X'; // 立即分离(非const修改) ``` #### 5. 潜在陷阱与解决方案 - **迭代器失效问题** 引用[3]的示例揭示了**容器迭代器陷阱**: ```cpp QMap<int, QString> mapA; mapA[0] = "a"; auto it = mapA.begin(); // 获取迭代器 QMap<int, QString> mapB = mapA; // 共享数据 it.value() = "c"; // 修改触发分离,但it仍指向原数据 // 此时mapA[0]="a", mapB[0]="c" 但it可能失效[^3] ``` **解决方案**:迭代期间避免容器复制,或使用`QMap::iterator`的`detach()`显分离。 - **多线程竞争** 共享数据块被多线程同时修改时,需手动同步: ```cpp QMutexLocker locker(&mutex); sharedString.replace("old", "new"); ``` - **意外触发深拷贝** COW可能导致性能陡降的场景: ```cpp // 低效:循环内反复触发分离 for(int i=0; i<largeList.size(); ++i) { largeList[i] = modify(largeList[i]); } // 优化:使用迭代器避免多次分离 for(auto it = largeList.begin(); it != largeList.end(); ++it) { *it = modify(*it); } ``` #### 6. 与STL容器的关键差异 | **特性** | Qt容器(共享) | STL容器 | |------------------|--------------------------|------------------| | **复制行为** | 浅拷贝(延迟深拷贝) | 立即深拷贝 | | **迭代器稳定性** | 修改可能使迭代器失效 | 依赖具体容器类型 | | **内存占用** | 多副本共享时更低 | 每个副本独立占用 | | **性能特点** | 读操作快,写操作可能变慢 | 复制成本稳定 | --- ### 总结 Qt共享通过**写时复制机制**,在保持值语义简洁性的同时优化性能。其核心价值在于: 1. 减少只读场景的内存冗余 2. 降低对象传递的开销 3. 保持API直观易用 但需警惕: - 迭代器与容器复用的兼容性 - 多线程环境下的数据竞争 - 频繁修改场景的潜在性能损耗[^1] **最佳实践**:对频繁修改的大型数据,优先使用指针传递;只读操作尽量使用`const`引用。 --- ### 相关问题 1. 如何在多线程环境下安全使用Qt共享类? 2. 共享机制下,Qt容器与STL容器的迭代器行为有何具体差异? 3. 如何检测共享触发深拷贝的性能开销? 4. 在哪些场景下应避免使用共享,改用显深拷贝? 5. Qt共享如何影响自定义数据类型的拷贝语义? [^1]: 项目开发中因共享导致的BUG实例分析 [^2]: Qt共享的线程安全特性说明 [^3]: 容器复制与迭代器交互的陷阱演示 [^4]: QString修改触发的COW行为示例 [^5]: 共享对API设计的影响
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