基于Qt 5.15源碼來聊聊隱式共享

一、導(dǎo)讀

在實(shí)際開發(fā)中，Qt中很多類可以直接作為函數(shù)參數(shù)傳遞，這是為什么？其背后的實(shí)現(xiàn)機(jī)制又是什么？這些都?xì)w功于隱式共享，本文基于Qt 5.15源碼，來聊聊隱式共享！

二、隱式共享簡介

Qt中的許多C++類使用隱式數(shù)據(jù)共享來提高資源使用并減少數(shù)據(jù)復(fù)制。當(dāng)這些類作為參數(shù)傳遞時(shí)，因?yàn)橹粋鬟f一個(gè)指向數(shù)據(jù)的指針，并且只有當(dāng)函數(shù)寫入數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)才會(huì)被復(fù)制，即copy -on-write，隱式共享類是安全、高效的。

共享類由一個(gè)指向包含引用計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)的共享數(shù)據(jù)塊的指針組成。

當(dāng)創(chuàng)建共享對(duì)象時(shí)，它將引用計(jì)數(shù)設(shè)置為1。每當(dāng)有新對(duì)象引用共享數(shù)據(jù)時(shí)，引用計(jì)數(shù)就遞增，當(dāng)對(duì)象解引用共享數(shù)據(jù)時(shí)，引用計(jì)數(shù)就遞減，當(dāng)引用計(jì)數(shù)變?yōu)榱銜r(shí)，將刪除共享數(shù)據(jù)。

在處理共享對(duì)象時(shí)，有兩種方法復(fù)制對(duì)象。也就是經(jīng)常談到的：深度拷貝和淺拷貝。深度拷貝意味著復(fù)制一個(gè)對(duì)象，淺拷貝是一個(gè)引用拷貝，也就是一個(gè)指向共享數(shù)據(jù)塊的指針。站在內(nèi)存和CPU角度，執(zhí)行一個(gè)深度拷貝可能是昂貴的操作，執(zhí)行淺拷貝則非?？?，因?yàn)闇\拷貝只涉及設(shè)置指針和增加引用計(jì)數(shù)。

注意：隱式共享對(duì)象的對(duì)象賦值(operator=())是使用淺拷貝實(shí)現(xiàn)的。

隱式共享的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）程序不需要進(jìn)行不必要的數(shù)據(jù)復(fù)制操作，從而減少內(nèi)存的使用和多次執(zhí)行數(shù)據(jù)復(fù)制操作。

（2）可以很容易地被賦值。

（3）可以作為函數(shù)參數(shù)傳遞，并從函數(shù)中返回。

三、源碼角度分析隱式共享

隱式共享會(huì)自動(dòng)將對(duì)象從共享塊中分離出來，如果對(duì)象即將改變并且引用計(jì)數(shù)大于1，(這通常被稱為寫時(shí)復(fù)制或值語義。)

隱式共享類可以控制其內(nèi)部數(shù)據(jù)，在任何修改其數(shù)據(jù)的成員函數(shù)中，它都會(huì)在修改數(shù)據(jù)之前自動(dòng)分離。（但是，需注意容器迭代器的特殊情況，后文將說明這一點(diǎn)?。?/p>

此處以QPen這個(gè)隱式共享類為例，從源碼角度分析QPen類是如何從更改內(nèi)部數(shù)據(jù)的成員函數(shù)中分離共享數(shù)據(jù)的。在Qt5.15源碼中用于描述QPen的文件為qpen_p.h、qpen.cpp、qpen.h三個(gè)文件，位于源碼路徑（/qtbase/src/gui/painting目錄）下。在QPen類定義中有一個(gè)detach()：

實(shí)現(xiàn)如下：

detach()用于從共享pen數(shù)據(jù)中分離，以確保該pen只有一個(gè)引用數(shù)據(jù)，如果多個(gè)pen共享公共數(shù)據(jù)，這支pen將取消對(duì)數(shù)據(jù)的引用并獲得數(shù)據(jù)的副本；如果只有一個(gè)則返回，什么也不做。上述代碼中，QPenData實(shí)則是QPenPrivate的類型別名，用于描述QPen的數(shù)據(jù)，定義如下（位于qpen_p.h文件中）：

上述代碼分析了detach()函數(shù)，下文以QPen的一個(gè)成員函數(shù)setStyle(Qt::PenStyle style)來描述，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

從上述圖片所示，在setStyle()函數(shù)中，會(huì)使用detach()從公共數(shù)據(jù)中分離，然后在設(shè)置style成員。

綜上，如果Qt提供的類支持隱式共享，那么其源碼內(nèi)部實(shí)現(xiàn)都有對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)寫時(shí)復(fù)制。

四、隱式共享在開發(fā)中的使用

上述第二節(jié)描述了隱式共享的QPen類如何從更改內(nèi)部數(shù)據(jù)的成員函數(shù)中分離共享數(shù)據(jù)?？珊喕癁橄率龃a片段：

voidQPen::setStyle(Qt::PenStyles)
{
detach();//從公共數(shù)據(jù)中分離
d->style=s;//設(shè)置style成員
}

voidQPen::detach()
{
if(d->ref!=1){
...//執(zhí)行深度拷貝
}
}

所以，在開發(fā)中如果更改了對(duì)象，類將自動(dòng)與公共數(shù)據(jù)分離，甚至不會(huì)注意到這些對(duì)象是共享的。因此，可以將它們的單獨(dú)實(shí)例視為單獨(dú)的對(duì)象，它們始終作為獨(dú)立的對(duì)象。但在有些情況下可以共享數(shù)據(jù)，因此可以將這些類的實(shí)例作為參數(shù)按值傳遞給函數(shù)，而不必考慮復(fù)制開銷。

例如下列代碼：

QPixmapp1,p2;
p1.load("image.bmp");
p2=p1;//p1和p2共享數(shù)據(jù)

QPainterpaint;
paint.begin(&p2);//將p2從p1中分離出來
paint.drawText(0,50,"iriczhao");
paint.end();

注：在使用stl風(fēng)格的迭代器時(shí)，復(fù)制隱式共享容器(QMap，QList等)需要特別注意。

五、隱式共享迭代器問題

對(duì)于stl風(fēng)格的迭代器，在使用隱式共享類時(shí)應(yīng)格外注意。因?yàn)楫?dāng)?shù)髟谌萜魃霞せ顣r(shí)，應(yīng)該避免復(fù)制容器。也就是迭代器指向一個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如果復(fù)制一個(gè)容器，此時(shí)應(yīng)特別注意迭代器。例如以下代碼片段：

QLista,b;
a.resize(100000);//創(chuàng)建一個(gè)大列表，里面填滿0。

QList::iteratori=a.begin();

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

//使用迭代器i的錯(cuò)誤方法:
b=a;
/*
此時(shí)我們應(yīng)該注意迭代器i，因?yàn)樗鼘⒅赶蚬蚕頂?shù)據(jù)
如果我們執(zhí)行*i=4，那么我們將改變共享實(shí)例(兩個(gè)向量)
其行為不同于STL容器。在Qt中不能這樣做。
*/

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

a[0]=5;
/*
容器a現(xiàn)在與共享數(shù)據(jù)分離,
盡管i是容器a的迭代器，但是它現(xiàn)在作為容器b的迭代器工作。
這里的情況是(*i)==0。
*/

b.clear();//現(xiàn)在迭代器i完全無效了。

intj=*i;//此時(shí)會(huì)出現(xiàn)未定義的行為!
/*
來自b(i所指向的)的數(shù)據(jù)不見了。
這可以用STL容器(和(*i)==5)定義，
但是這時(shí)候使用QList，可能會(huì)崩潰。
*/

總而言之：當(dāng)?shù)髟谌萜魃霞せ顣r(shí)，應(yīng)該避免復(fù)制容器，所有的Qt容器類都應(yīng)該注意這一點(diǎn)。

六、隱式共享類和線程

在Qt中，對(duì)它的許多值類使用了隱式共享進(jìn)行了優(yōu)化，尤其是QImage和QString。從Qt 4開始，隱式共享類可以安全地跨線程復(fù)制。這些值類是完全可重入的。

一般情況下，都認(rèn)為隱式共享和多線程是不兼容的概念，因?yàn)橐糜?jì)數(shù)通常不允許這樣做。然而，Qt使用原子引用計(jì)數(shù)來確保共享數(shù)據(jù)的完整性，避免了引用計(jì)數(shù)器的潛在損壞。

但是需要注意原子引用計(jì)數(shù)不能保證線程安全性。在線程之間共享隱式共享類的實(shí)例時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)?shù)募渔i進(jìn)行鎖定。這一點(diǎn)，與所有重入類（無論是否共享）相同。原子引用計(jì)數(shù)確實(shí)保證了一個(gè)線程在其自身、隱式共享類的本地實(shí)例上工作是安全的，所以，在開發(fā)中可以使用信號(hào)和槽函數(shù)機(jī)制在不同線程之間傳遞數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@可以在不需要顯式鎖定的情況下完成。

總而言之，Qt 中的隱式共享類實(shí)際上是隱式共享的。即使在多線程應(yīng)用程序中，也可以安全地使用它們，與普通的、非共享的、可重入的基于值的類一樣。

審核編輯：劉清