深入理解Qt的隐式共享机制

在Qt中，一个关键的性能优化特性是其数据结构的隐式共享机制，这在Qt的文档和API中常被称为“隐式共享”或“写时复制（Copy-On-Write, COW）”。本文将详细介绍这一机制，并通过QString类的实现代码和相应的反汇编代码来阐释其工作原理。

隐式共享的定义和优点

隐式共享是一种内存管理策略，它允许多个对象共享相同的数据副本，直到某个对象需要修改这些数据时才进行实际的数据复制。这种策略的优点包括：

• 减少内存使用：多个对象可以共享同一个数据副本，而不是每个对象都持有一个数据副本。
• 提高性能：减少数据复制的需要，从而降低程序的总体资源消耗。
• 代码简化：开发者不需要关心数据如何被共享或复制，所有这些都由Qt框架自动管理。

隐式共享在Qt中的实现

在Qt中，很多基本数据类型，如QString、QList、QByteArray等，都实现了隐式共享。以下是QString类中赋值操作符的源码，可以直观了解隐式共享机制的实现：

QString &QString::operator=(const QString &other) noexcept
{
    other.d->ref.ref();
    if (!d->ref.deref())
        Data::deallocate(d);
    d = other.d;
    return *this;
}

代码解释

1. other.d->ref.ref();

增加源对象（other）数据的引用计数。
因为在赋值后，目标对象和源对象都引用了相同的内存数据，所以对应的引用计数需要增加。

2. if (!d->ref.deref()) Data::deallocate(d);

通过deref()函数递减目标对象（d）的引用计数，并返回递减后是否仍有引用（如果还有其他引用，则返回true；如果此次操作后引用计数变为0，则返回false）。如果返回false，说明没有其他QString对象再引用这块数据了，那就需要调用Data::deallocate()来释放这块内存。
因为目标对象在赋值后将指向新的内存数据，那么原来的数据引用计数需要递减，如果递减后变成0，那就说明没有对象在使用这块内存，需要释放，否则会导致内存泄漏。

反汇编代码示例说明

源码：

QString sa = "hello";
QString sb = sa;
sb[0] = 'H';

反汇编：

    QString sa = "hello";
00007FF65A72461B  lea         rdx,[__xt_z+214h (07FF65A729CB4h)]  
00007FF65A724622  lea         rcx,[sa]  
00007FF65A724627  call        qword ptr [__imp_QString::QString (07FF65A72F170h)]  
00007FF65A72462D  nop  
    QString sb = sa;
00007FF65A72462E  lea         rdx,[sa]  
00007FF65A724633  lea         rcx,[sb]  
00007FF65A724638  call        qword ptr [__imp_QString::QString (07FF65A72F188h)]  
00007FF65A72463E  nop  
    sb[0] = 'H';
00007FF65A72463F  xor         r8d,r8d  
00007FF65A724642  lea         rdx,[rsp+88h]  
00007FF65A72464A  lea         rcx,[sb]  
00007FF65A72464F  call        qword ptr [__imp_QString::operator[] (07FF65A72F178h)]  
00007FF65A724655  mov         dl,48h  
00007FF65A724657  mov         rcx,rax  
00007FF65A72465A  call        qword ptr [__imp_QCharRef::operator= (07FF65A72F168h)]

详细说明

1. 在执行QString sb = sa;代码是，反汇编代码可以看出，先将sa和sb两个对象的地址加载到两个寄存器中，然后调用QString的拷贝构造函数。
2. 在执行sb[0] = 'H';时，反汇编代码的最后一行代码，调用了QCharRef::operator=()赋值操作符，那么我们需要知道该赋值操作符具体做了什么：

inline QCharRef &operator=(QChar c)
{
    using namespace QtPrivate::DeprecatedRefClassBehavior;
    if (Q_UNLIKELY(i >= s.d->size)) {
#ifdef QT_DEBUG
        warn(WarningType::OutOfRange, EmittingClass::QCharRef);
#endif
        s.resize(i + 1, QLatin1Char(' '));
    } else {
#ifdef QT_DEBUG
        if (Q_UNLIKELY(!s.isDetached()))
            warn(WarningType::DelayedDetach, EmittingClass::QCharRef);
#endif
        s.detach();
    }
    s.d->data()[i] = c.unicode();
    return *this;
}

我们看到上面源码中if (Q_UNLIKELY(i >= s.d->size))判断下标有没有超出字符串大小，如果超出了，则需要调用resize重新开辟一块内存，如果没有超出，则调用detach()来分离数据，在分离的时候会判断当前引用计数，如果计数大于1，则会创建新的副本数据进行修改。