【Qt】浅析Qt中的隐式共享

最新推荐文章于 2025-07-10 09:43:08 发布

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#c++ #qt #隐式共享 #迭代器 #引用计数

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本文详细介绍了Qt框架中的隐式共享机制，这种机制用于优化资源使用，减少数据复制。在开发中，隐式共享类如QPen、QPixmap通过引用计数实现数据共享，仅在修改时才复制。当迭代器活跃时，复制共享容器需谨慎，以防止意外修改。此外，从Qt4开始，隐式共享类在多线程环境中是安全的，但涉及数据修改仍需适当锁定。

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一、【隐式共享】简介

Qt中的许多C++类使用隐式数据共享来最大化资源使用并最小化复制。当作为参数传递时，隐式共享类既安全又高效，因为只传递一个指向数据的指针，并且只有当函数写入数据时，数据才会被复制，即write -on-write。

共享类由一个指向包含引用计数和数据的共享数据块的指针组成。

当创建共享对象时，它将引用计数设置为1。每当新对象引用共享数据时，引用计数就递增，当对象解引用共享数据时，引用计数就递减。当引用计数变为零时，将删除共享数据。

在处理共享对象时，有两种方法复制对象。我们通常谈论：深度拷贝和浅拷贝。深层复制意味着复制一个对象。浅拷贝是一个引用拷贝，也就是一个指向共享数据块的指针。在内存和CPU方面，制作一个深度拷贝可能是昂贵的。进行浅拷贝非常快，因为它只涉及设置指针和增加引用计数。

注意：隐式共享对象的对象赋值(使用operator=())是使用浅拷贝实现的。

隐式共享的好处是程序不需要进行不必要地数据复制操作，从而减少内存的使用和数据的复制。此外，对象可以很容易地被赋值，作为函数参数传递，并从函数中返回。

二、隐式共享在开发中的使用

隐式共享自动将对象从共享块中分离出来，如果对象即将改变并且引用计数大于1。(这通常被称为写时复制或值语义。)

隐式共享类可以控制其内部数据。在任何修改其数据的成员函数中，它都会在修改数据之前自动分离。（但是，需注意容器迭代器的特殊情况，后文将说明这一点！）

使用隐式共享的QPen类从所有更改内部数据的成员函数中分离共享数据。

如下代码片段：

void QPen::setStyle(Qt::PenStyle style)
{
    detach();           // 从公共数据中分离
    d->style = style;   // 设置style成员
}

void QPen::detach()
{
    if (d->ref != 1) {
        ...             // perform a deep copy
    }
}

如果要更改对象，下面列出的类将自动与公共数据分离。我们甚至不会注意到这些对象是共享的。因此，应该将它们的单独实例视为单独的对象。它们将始终作为独立的对象，但在有些情况下可以共享数据。因此可以将这些类的实例作为参数按值传递给函数，而不必考虑复制开销。

例如

QPixmap p1, p2;
p1.load("image.bmp");
p2 = p1;                        // p1 和 p2 共享数据

QPainter paint;
paint.begin(&p2);               // 将p2从p1中分离出来
paint.drawText(0,50, "Hi");
paint.end();

【警告】：在使用stl风格的迭代器时，在复制隐式共享容器(QMap, QList等)，需要特别注意。

Qt官方提供一个隐式共享类的表格，查看该表可获得Qt中哪些类是隐式共享类。URL：https://doc.qt.io/qt-6/implicit-sharing.html

三、隐式共享迭代器问题

隐式共享对于stl风格的迭代器还有另一个后果：当迭代器在容器上激活时，应该避免复制容器。迭代器指向一个内部结构，如果复制一个容器，此时应特别注意迭代器。例如以下代码片段：

QList<int> a, b;
a.resize(100000); // 制作一个大列表，里面填满0。

QList<int>::iterator i = a.begin();

/*-------------------------------------------------------------*/

// 使用迭代器i的错误方法:
b = a;
/*
    现在我们应该小心迭代器i，因为它将指向共享数据
    如果我们执行*i = 4，那么我们将改变共享实例(两个向量)
    其行为不同于STL容器。在Qt中不能这样做。
*/

/*-------------------------------------------------------------*/

a[0] = 5;
/*
    容器a现在与共享数据分离,
    尽管i是容器a的迭代器，它现在作为容器b的迭代器工作。
    这里的情况是(*i) == 0。
*/

b.clear(); // 现在迭代器i完全无效了。

int j = *i; //未定义的行为!
/*
    来自b(i所指向的)的数据不见了。
    这可以用STL容器(and (*i) == 5)定义，
    但是使用QList，可能会崩溃。
*/

总而言之：当迭代器在容器上激活时，应该避免复制容器，所有的Qt容器类都应该注意这一点。

四、线程和隐式共享类

Qt对它的许多值类使用一种称为隐式共享的优化，尤其是QImage和QString。从Qt 4开始，隐式共享类可以安全地跨线程复制，就像任何其他值类一样。它们是完全可重入的。隐式分享确实是隐式的。

在许多人的心目中，隐式共享和多线程是不兼容的概念，因为引用计数通常是这样做的。然而，Qt使用原子引用计数来确保共享数据的完整性，避免引用计数器的潜在损坏。

注意，原子引用计数不能保证线程安全性。在线程之间共享隐式共享类的实例时，应该使用适当的锁定。这是对所有重入类(无论是否共享)的相同要求。然而，原子引用计数确实保证了一个线程在其自身、隐式共享类的本地实例上工作是安全的。 所以说可以使用信号和槽机制在不同线程之间传递数据，因为这可以在不需要显式锁定的情况下完成。

总之，Qt 4中的隐式共享类实际上是隐式共享的。即使在多线程应用程序中，也可以安全地使用。