写时复制（copy-on-Write，简称 COW）是一种优化技术，用于在多个对象共享同一份数据时，避免不必要的内存拷贝。只有当某个对象需要修改数据时，才真正进行拷贝，从而提升性能并节省内存。
共享数据与延迟拷贝的基本原理
C++ 中的写时复制核心思想是：多个实例可以共享同一块底层数据，只要它们只读访问，就不需要各自持有副本。一旦某个实例试图修改数据，系统才会为它创建独立的数据副本，确保修改不会影响其他共享者。
这种机制特别适用于频繁复制但很少修改的对象，比如字符串或大型容器。
- 初始化时多个对象指向同一块堆内存
- 引用计数记录当前有多少对象共享该数据
- 读操作直接访问共享数据，不触发拷贝
- 写操作检测到共享状态，先复制再修改（即“写时”才“复制”）
典型应用场景：std::string 的历史实现
早期一些标准库实现中，std::string 使用了写时复制来优化性能。例如：
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std::string a = “Hello”;
std::string b = a; // 此时不拷贝字符数组，仅增加引用计数
此时 a 和 b 共享同一片内存。只有当执行如下操作时：
b[0] = ‘h’; // 触发写操作，检测到共享，于是复制一份再修改
这才发生实际的内存分配和拷贝。这种方式减少了临时复制带来的开销。
需要注意的是，C++11 起大多数主流 STL 实现（如 libstdc++、libc++）已放弃 COW，转而采用小字符串优化（SSO），因为 COW 在多线程环境下难以高效维护引用计数。
手动实现一个简单的 COW 类
可以通过智能指针和引用计数模拟写时复制行为。以下是一个简化版的 COW 包装器：
template <typename T>
class cow_ptr {
Struct data {
std::shared_ptr<T> ptr;
mutable bool unique_access = false;
};
std::shared_ptr<data> rep;
public:
cow_ptr(T* p) : rep(std::make_shared<data>(data{std::shared_ptr<T>(p)})) {}
T& operator*() {
if (!rep->unique_access && !rep.unique()) {
// 需要写入且非独占，复制一份
rep = std::make_shared<data>(data{std::make_shared<T>(*rep->ptr)});
rep->unique_access = true;
}
return *rep->ptr;
}
};
这个例子展示了如何通过 shared_ptr 管理共享状态，并在写入前判断是否需要分离数据。
优缺点与使用建议
写时复制的优势在于减少内存占用和提升复制效率，尤其适合读多写少场景。但它也带来了一些问题：
- 引用计数本身有运行时开销
- 多线程下需加锁保护计数和判断逻辑
- 可能造成隐式性能抖动（某次赋值突然变慢）
- 现代编译器和标准库更倾向于使用移动语义替代 COW
因此，在现代 C++ 中，手动实现 COW 应谨慎评估需求。更多时候推荐使用 move 语义、SSO 或明确的共享指针控制资源生命周期。
基本上就这些。写时复制是一种经典优化手段，理解其机制有助于深入掌握资源管理和性能调优技巧。