什么是Copy-on-Write

寫入時復制（英語：Copy-on-write，簡稱COW）是一種計算機程序設(shè)計領(lǐng)域的優(yōu)化策略。其核心思想是，如果有多個調(diào)用者（callers）同時請求相同資源（如內(nèi)存或磁盤上的數(shù)據(jù)存儲），他們會共同獲取相同的指針指向相同的資源，直到某個調(diào)用者試圖修改資源的內(nèi)容時，系統(tǒng)才會真正復制一份專用副本（private copy）給該調(diào)用者，而其他調(diào)用者所見到的最初的資源仍然保持不變。這過程對其他的調(diào)用者都是透明的。此作法主要的優(yōu)點是如果調(diào)用者沒有修改該資源，就不會有副本（private copy）被建立，因此多個調(diào)用者只是讀取操作時可以共享同一份資源。

在 Swift 中，Copy-on-Write（寫時復制）是一種優(yōu)化技術(shù)，用于在需要進行修改時避免不必要的數(shù)據(jù)復制。它主要用于值類型（value types），如結(jié)構(gòu)體（struct）和枚舉（enum）。

在 Swift 中，當將一個值類型賦值給另一個變量或常量時，通常會發(fā)生值的復制。這意味著原始值的一個副本會被創(chuàng)建，并分配給新的變量或常量。這樣，原始值和副本是完全獨立的，對其中一個進行修改不會影響另一個。

然而，有時候進行這種復制操作是不必要的，特別是當值類型的實例是不可變的（immutable）或者只有一個引用時。為了避免不必要的復制開銷，Swift 使用了 Copy-on-Write 機制。

Copy-on-Write 的基本思想是，當一個不可變的值類型實例被復制時，實際上只會增加一個指向原始數(shù)據(jù)的引用計數(shù)。只有在進行修改操作時，才會對值進行復制，以確保修改操作不會影響到其他引用。

具體來說，當一個不可變的值類型實例被賦值給一個新的變量或常量時，原始值的引用計數(shù)會增加。這樣，原始值和新的變量或常量共享同一個內(nèi)存。當進行第一次修改操作時，Copy-on-Write 機制會檢查原始值的引用計數(shù)。如果引用計數(shù)為 1，表示該值沒有被共享，可以直接進行修改。但如果引用計數(shù)大于 1，表示該值被多個引用共享，此時會進行復制操作，創(chuàng)建一個新的副本，并將修改操作應用在副本上，而不是原始值上。

通過使用 Copy-on-Write 機制，Swift 可以避免不必要的復制開銷，提高性能和內(nèi)存效率。這種優(yōu)化技術(shù)在 Swift 的標準庫中被廣泛應用，特別是在Array、Dictionary、Set這樣的集合類型中。

需要注意的是，Copy-on-Write 僅適用于值類型（value types），對于引用類型（reference types）如類（class），它不會自動應用。對于引用類型，需要手動實現(xiàn)類似的行為，例如使用復制構(gòu)造函數(shù)（copy constructor）或提供自定義的復制方法。

下面，看看 Swift 中 COW 的具體體現(xiàn)。

基本數(shù)據(jù)類型

從下面的打印信息中我們可以看到，對于String、Int等基本類型的數(shù)據(jù)進行賦值時就發(fā)生了拷貝操作。

/// 打印地址
func address(of object: UnsafeRawPointer) {
    let addr = Int(bitPattern: object)
    print(String(format: "%p", addr))
}

var str1 = "1234"
var str2 = str1
address(of: &str1)  //0x100008108
address(of: &str2)  //0x100008118

var num1 = 5
var num2 = num1
address(of: &num1)  //0x100008128
address(of: &num2)  //0x100008130

集合類型

對于集合類型，如下面的arr1和arr2，我們可以看到在對寫入操作前，賦值操作并未發(fā)生拷貝操作；在對arr2進行修改（即寫入）后，arr2的地址發(fā)生變化，也就是說此時發(fā)生了拷貝操作。

var arr1 = [1,2,3,4]
var arr2 = arr1

//修改前，arr1和arr2地址一樣
address(of: &arr1)   //0x600001708420
address(of: &arr2)   //0x600001708420

//對arr2進行修改
arr2[2] = 0

//修改arr2后，arr2地址變了
address(of: &arr1)   //0x600001708420
address(of: &arr2)   //0x600001708460

自定義的結(jié)構(gòu)體

我們知道 Swift 中的 COW 適用于值類型數(shù)據(jù)，而且通常是集合類型的。那么對于自定義的結(jié)構(gòu)體是否默認也存在這種機制呢？

struct MyStruct {
    var data: [Int]
}

var obj1 = MyStruct(data: [1, 2, 3])
var obj2 = obj1

address(of: &obj1)  //0x100008148
address(of: &obj2)  //0x100008150

obj2.data[0] = 100

address(of: &obj1)  //0x100008148
address(of: &obj2)  //0x100008150

從上面的打印可以看出，對于自定義的結(jié)構(gòu)體，并不支持COW。

COW的實現(xiàn)

在 Swift 的GitHub官方文檔OptimizationTips.rst中有這樣一段代碼：

/// 將實際值存于class Ref中，以便實現(xiàn)`reference type`
final class Ref<T> { //必須使用final修飾
    var val: T
    init(_ v: T) { val = v }
}

/// Box包裝`reference type`
struct Box<T> {
    var ref: Ref<T>
    init(_ x: T) { ref = Ref(x) }

    var value: T {
        get { return ref.val }
        set {
            //在進行寫操作前，檢查是否有其他引用，如果有，進行復制
            if !isKnownUniquelyReferenced(&ref) {
                ref = Ref(newValue)
                return
            }
            ref.val = newValue
        }
    }
}

struct TestCOW {
    var id: Int = 0
}

let test = TestCOW()

var box1 = Box(test)
var box2 = box1

address(of: &box1.ref.val)  //0x600000201570
address(of: &box2.ref.val)  //0x600000201570

box2.value.id = 1

address(of: &box1.ref.val)  //0x600000201570
address(of: &box2.ref.val)  //0x600000201d90

需要注意的是class Ref<T>必須使用final修飾，有以下幾個原因：

• 避免類的繼承：將 Ref<T> 類定義為 final 可以防止其他類繼承它。由于 Ref<T> 類是用于支持 Box<T> 結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部實現(xiàn)，而不是作為可繼承的基類，因此將其定義為 final 可以確保它不會被錯誤地繼承和擴展。
• 保持引用計數(shù)的一致性：Ref<T> 類使用 isKnownUniquelyReferenced(_:) 函數(shù)來檢查引用計數(shù)，以確定是否需要進行復制。如果 Ref<T> 類是可繼承的，其他子類可能會引入對引用計數(shù)的修改，導致 isKnownUniquelyReferenced(_:) 函數(shù)的結(jié)果不準確。通過將 Ref<T> 類定義為 final，可以確保引用計數(shù)的一致性，從而正確地實現(xiàn) Copy-on-Write 的邏輯。

參考

維基百科中的寫入時復制

Use copy-on-write semantics for large values

Understanding Swift Copy-on-Write mechanisms