基于Qt 5.15源码来聊聊隐式共享

一、导读

在实际开发中，Qt中很多类可以直接作为函数参数传递，这是为什么？其背后的实现机制又是什么？这些都归功于隐式共享，本文基于Qt 5.15源码，来聊聊隐式共享！

二、隐式共享简介

Qt中的许多C++类使用隐式数据共享来提高资源使用并减少数据复制。当这些类作为参数传递时，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copy -on-write，隐式共享类是安全、高效的。

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。每当有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。也就是经常谈到的：深度拷贝和浅拷贝。深度拷贝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。站在内存和CPU角度，执行一个深度拷贝可能是昂贵的操作，执行浅拷贝则非常快，因为浅拷贝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(operator=())是使用浅拷贝实现的。

隐式共享的优点是：

（1）程序不需要进行不必要的数据复制操作，从而减少内存的使用和多次执行数据复制操作。

（2）可以很容易地被赋值。

（3）可以作为函数参数传递，并从函数中返回。

三、源码角度分析隐式共享

隐式共享会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！）

此处以QPen这个隐式共享类为例，从源码角度分析QPen类是如何从更改内部数据的成员函数中分离共享数据的。在Qt5.15源码中用于描述QPen的文件为qpen_p.h、qpen.cpp、qpen.h三个文件，位于源码路径（/qtbase/src/gui/painting目录）下。在QPen类定义中有一个detach()：

实现如下：

detach()用于从共享pen数据中分离，以确保该pen只有一个引用数据，如果多个pen共享公共数据，这支pen将取消对数据的引用并获得数据的副本；如果只有一个则返回，什么也不做。上述代码中，QPenData实则是QPenPrivate的类型别名，用于描述QPen的数据，定义如下（位于qpen_p.h文件中）：

上述代码分析了detach()函数，下文以QPen的一个成员函数setStyle(Qt::PenStyle style)来描述，该函数实现如下：

从上述图片所示，在setStyle()函数中，会使用detach()从公共数据中分离，然后在设置style成员。

综上，如果Qt提供的类支持隐式共享，那么其源码内部实现都有对应的数据管理机制，实现写时复制。

四、隐式共享在开发中的使用

上述第二节描述了隐式共享的QPen类如何从更改内部数据的成员函数中分离共享数据。可简化为下述代码片段：

 

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

void QPen::detach()
{
    if (d->ref != 1) {
        ...             // 执行深度拷贝
    }
}

 

所以，在开发中如果更改了对象，类将自动与公共数据分离，甚至不会注意到这些对象是共享的。因此，可以将它们的单独实例视为单独的对象，它们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。

例如下列代码：

 

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, "iriczhao");
paint.end();

 

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

五、隐式共享迭代器问题

对于stl风格的迭代器，在使用隐式共享类时应格外注意。因为当迭代器在容器上激活时，应该避免复制容器。也就是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 a, b;
a.resize(100000); // 创建一个大列表，里面填满0。

QList::iterator i = a.begin();

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

// 使用迭代器i的错误方法:
b = a;
/*
    此时我们应该注意迭代器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，但是它现在作为容器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; //此时会出现未定义的行为!
/*
    来自b(i所指向的)的数据不见了。
    这可以用STL容器(和(*i) == 5)定义，
    但是这时候使用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。

六、隐式共享类和线程

在Qt中，对它的许多值类使用了隐式共享进行了优化，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。这些值类是完全可重入的。

一般情况下，都认为隐式共享和多线程是不兼容的概念，因为引用计数通常不允许这样做。然而，Qt使用原子引用计数来确保共享数据的完整性，避免了引用计数器的潜在损坏。

但是需要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，应该适当的加锁进行锁定。这一点，与所有重入类（无论是否共享）相同。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，在开发中可以使用信号和槽函数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。

总而言之，Qt 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，也可以安全地使用它们，与普通的、非共享的、可重入的基于值的类一样。

审核编辑：刘清