如何基于内存池分配块实现数组共享指针以支持写时复制字符串类

a) 标准库已有方案 #

C++20 起标准库的std::allocate_shared支持数组特化，可直接满足需求：

• std::allocate_shared<T[]>(alloc, runtime_length)可以在运行时指定数组长度，且符合std::make_shared的内存布局规则：控制块和数组内存会被分配在同一块连续内存空间中。
• 你可以直接将自定义的内存池分配器作为第一个参数传入，分配出的std::shared_ptr<char[]>天然满足你的内存布局要求，不需要手动处理引用计数逻辑。

如果你的编译环境不支持C++20，标准库没有现成的适配组件，需要自行实现。

b) 自定义精简共享指针实现 #

你不需要完整实现通用共享指针，针对你的场景可以做极简化设计：

第一步：定义控制块结构 #

#include <cstddef>
template<typename Alloc>
struct ControlBlock {
    size_t ref_count = 1;
    // 仅当你的分配器是有状态类型时需要保留该成员，无状态分配器可省略节省空间
    Alloc alloc;
    // 柔性数组成员，后续内存直接作为字符数组使用
    char data[];
};

注意：需要保证sizeof(ControlBlock<Alloc>) + 最大允许字符串容量 <= 内存池块大小，分配前做断言校验即可。

第二步：自定义智能指针核心逻辑 #

你的智能指针类只需要存储一个指向ControlBlock的指针，核心操作实现如下：

• 构造逻辑：从内存池分配固定大小的块，用定位new初始化ControlBlock实例，字符数组的内容可按需拷贝初始化。
• 拷贝构造/拷贝赋值：直接复制ControlBlock指针，将引用计数加1即可。
• 写时复制触发逻辑：所有会修改字符串内容的接口（非constoperator[]、append、assign等）调用前，先判断引用计数是否大于1：
  1. 如果大于1，用当前控制块内的分配器分配新的内存块，拷贝原有字符串内容到新块
  2. 将原控制块的引用计数减1，若减到0则调用分配器的deallocate释放原内存
  3. 将当前指针指向新的控制块
• 析构逻辑：将引用计数减1，若减到0则调用分配器的deallocate释放整块内存。

优化提示 #

如果你的分配器是无状态类型（所有实例行为完全一致，无成员变量），可以完全省略控制块中存储的分配器实例，需要调用分配器接口时直接默认构造一个临时实例即可，进一步压缩控制块占用的空间。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Patrick Wright