一、導讀

在實際開發中，Qt中很多類可以直接作為函數參數傳遞，這是為什么？其背后的實現機制又是什么？這些都歸功于隱式共享，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++類使用隱式數據共享來提高資源使用并減少數據復制。當這些類作為參數傳遞時，因為只傳遞一個指向數據的指針，并且只有當函數寫入數據時數據才會被復制，即copy -on-write，隱式共享類是安全、高效的。

共享類由一個指向包含引用計數和數據的共享數據塊的指針組成。

當創建共享對象時，它將引用計數設置為1。每當有新對象引用共享數據時，引用計數就遞增，當對象解引用共享數據時，引用計數就遞減，當引用計數變為零時，將刪除共享數據。

在處理共享對象時，有兩種方法復制對象。也就是經常談到的：深度拷貝和淺拷貝。深度拷貝意味著復制一個對象，淺拷貝是一個引用拷貝，也就是一個指向共享數據塊的指針。站在內存和CPU角度，執行一個深度拷貝可能是昂貴的操作，執行淺拷貝則非常快，因為淺拷貝只涉及設置指針和增加引用計數。

注意：隱式共享對象的對象賦值(operator=())是使用淺拷貝實現的。

隱式共享的優點是：

（1）程序不需要進行不必要的數據復制操作，從而減少內存的使用和多次執行數據復制操作。

（2）可以很容易地被賦值。

（3）可以作為函數參數傳遞，并從函數中返回。

三、源碼角度分析隱式共享

隱式共享會自動將對象從共享塊中分離出來，如果對象即將改變并且引用計數大于1，(這通常被稱為寫時復制或值語義。)

隱式共享類可以控制其內部數據，在任何修改其數據的成員函數中，它都會在修改數據之前自動分離。（但是，需注意容器迭代器的特殊情況，后文將說明這一點！）

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

實現如下：

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

上述代碼分析了detach()函數，下文以QPen的一個成員函數setStyle(Qt::PenStyle style)來描述，該函數實現如下：

從上述圖片所示，在setStyle()函數中，會使用detach()從公共數據中分離，然后在設置style成員。

綜上，如果Qt提供的類支持隱式共享，那么其源碼內部實現都有對應的數據管理機制，實現寫時復制。

四、隱式共享在開發中的使用

上述第二節描述了隱式共享的QPen類如何從更改內部數據的成員函數中分離共享數據。可簡化為下述代碼片段：

voidQPen::setStyle(Qt::PenStyles)
{
detach();//從公共數據中分離
d->style=s;//設置style成員
}

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

所以，在開發中如果更改了對象，類將自動與公共數據分離，甚至不會注意到這些對象是共享的。因此，可以將它們的單獨實例視為單獨的對象，它們始終作為獨立的對象。但在有些情況下可以共享數據，因此可以將這些類的實例作為參數按值傳遞給函數，而不必考慮復制開銷。

例如下列代碼：

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

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風格的迭代器時，復制隱式共享容器(QMap，QList等)需要特別注意。

五、隱式共享迭代器問題

對于stl風格的迭代器，在使用隱式共享類時應格外注意。因為當迭代器在容器上激活時，應該避免復制容器。也就是迭代器指向一個內部結構，如果復制一個容器，此時應特別注意迭代器。例如以下代碼片段：

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

QList::iteratori=a.begin();

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

//使用迭代器i的錯誤方法:
b=a;
/*
此時我們應該注意迭代器i，因為它將指向共享數據
如果我們執行*i=4，那么我們將改變共享實例(兩個向量)
其行為不同于STL容器。在Qt中不能這樣做。
*/

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

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

b.clear();//現在迭代器i完全無效了。

intj=*i;//此時會出現未定義的行為!
/*
來自b(i所指向的)的數據不見了。
這可以用STL容器(和(*i)==5)定義，
但是這時候使用QList，可能會崩潰。
*/

總而言之：當迭代器在容器上激活時，應該避免復制容器，所有的Qt容器類都應該注意這一點。

六、隱式共享類和線程

在Qt中，對它的許多值類使用了隱式共享進行了優化，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制。這些值類是完全可重入的。

一般情況下，都認為隱式共享和多線程是不兼容的概念，因為引用計數通常不允許這樣做。然而，Qt使用原子引用計數來確保共享數據的完整性，避免了引用計數器的潛在損壞。

但是需要注意原子引用計數不能保證線程安全性。在線程之間共享隱式共享類的實例時，應該適當的加鎖進行鎖定。這一點，與所有重入類（無論是否共享）相同。原子引用計數確實保證了一個線程在其自身、隱式共享類的本地實例上工作是安全的，所以，在開發中可以使用信號和槽函數機制在不同線程之間傳遞數據，因為這可以在不需要顯式鎖定的情況下完成。

總而言之，Qt 中的隱式共享類實際上是隱式共享的。即使在多線程應用程序中，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