Copy-on-Write (写时复制，CoW) 是一种优化策略，主要应用于 Swift 的标准库中的值类型集合（如 Array, Dictionary, Set, String） ，以提高性能。它的核心思想是：
只有当值类型的实例被修改时，才会发生实际的数据复制。在修改之前，多个实例可以安全地共享底层数据存储。
为什么需要 CoW？
对于 Array 这样的集合，如果每次赋值或传递都进行深度复制（将所有元素复制一遍），当集合很大时，这会带来巨大的性能开销。CoW 允许这些集合在不修改的情况下高效地共享底层数据。
CoW 的实现原理：
CoW 通常通过以下机制实现：
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引用计数 (Reference Counting): 尽管 Array 等是值类型，但它们的底层数据存储（例如一个存储元素的缓冲区）通常是一个引用类型。这个引用类型会维护一个引用计数，记录有多少个外部实例正在共享它。
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内部不可变性: 底层数据存储在共享时被认为是逻辑上不可变的。
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检查唯一引用: 当一个值类型的实例（例如 Array）需要被修改时，它会首先检查它当前引用的底层数据存储的引用计数。
- 如果引用计数为 1 (即该实例是唯一引用者): 不需要复制。实例可以直接修改底层数据。
- 如果引用计数大于 1 (即有其他实例也共享同一个底层数据): 此时会发生“写时复制”。系统会创建一个底层数据的新副本，并将当前实例的引用更新为指向这个新副本。然后，对新副本进行修改，而原始的底层数据（和它所有的共享者）保持不变。
一个简化的 CoW 示例 (概念模型):
假设我们有一个自定义的 CoW 结构体 MyArray：
// 1. 底层存储是一个引用类型，带有引用计数
private class _ArrayBuffer<Element> {
var elements: [Element] // 真正的元素存储
var count: Int { return elements.count }
init(_ elements: [Element]) {
self.elements = elements
}
}
// 2. 结构体包装器，持有对底层缓冲区的引用
struct MyArray<Element> {
private var buffer: _ArrayBuffer<Element>
init() {
buffer = _ArrayBuffer([])
}
init(_ elements: [Element]) {
buffer = _ArrayBuffer(elements)
}
// 内部方法，用于确保 buffer 是唯一的，如果不是，则复制
private mutating func ensureUniqueBuffer() {
// isKnownUniquelyReferenced(&buffer) 是 Swift 标准库提供的一个优化函数
// 它会检查一个类的实例是否只有一个强引用。
// 如果不是唯一引用，或者 buffer 是 nil，就复制
if !isKnownUniquelyReferenced(&buffer) {
buffer = _ArrayBuffer(buffer.elements) // 复制操作
print("Buffer copied!")
}
}
// 可变属性或方法会触发 CoW 逻辑
var description: String { return "[\(buffer.elements.map { String(describing: $0) }.joined(separator: ", "))]" }
// 可变操作，会在修改前调用 ensureUniqueBuffer()
mutating func append(_ newElement: Element) {
ensureUniqueBuffer() // 检查并复制
buffer.elements.append(newElement)
}
subscript(index: Int) -> Element {
get {
return buffer.elements[index]
}
set {
ensureUniqueBuffer() // 检查并复制
buffer.elements[index] = newValue
}
}
}
// 演示
var arr1 = MyArray([1, 2, 3])
var arr2 = arr1 // 此时 arr1 和 arr2 共享同一个 buffer
print("arr1: \(arr1.description)") // arr1: [1, 2, 3]
print("arr2: \(arr2.description)") // arr2: [1, 2, 3]
// 修改 arr2 会触发 CoW
arr2.append(4) // 输出: Buffer copied!
print("arr1: \(arr1.description)") // arr1: [1, 2, 3] (arr1 仍然是旧数据)
print("arr2: \(arr2.description)") // arr2: [1, 2, 3, 4] (arr2 现在指向新数据)
// 修改 arr1 不会触发 CoW，因为此时 arr1 是其 buffer 的唯一引用者
arr1.append(0)
print("arr1: \(arr1.description)") // arr1: [1, 2, 3, 0]
**Swift 标准库中的 CoW：**
Swift 的 Array, Dictionary, Set, String 等集合类型都内置了 CoW 优化。它们的底层实现会维护一个引用计数的缓冲区。
例如，当：
var array1 = [1, 2, 3] var array2 = array1 // 此时 array1 和 array2 共享同一个底层数据 array2.append(4) // 只有在这一步，array2 的底层数据才会被复制， // array2 获得一个独立的新副本，array1 保持不变。
**CoW 的优点:**
- **性能优化:** 避免了不必要的深拷贝，尤其是在处理大型集合时。
- **内存效率:** 减少了不必要的内存分配，因为数据在未修改时可以共享。
- **值类型语义:** 尽管底层使用了引用类型，但从外部看，这些集合仍然保持了值类型的行为（每次修改都看起来像是一个新值）。
**CoW 的缺点/注意事项:**
- **隐含复制:** 开发者需要意识到，在某些看似简单的修改操作（如 append、insert 等）下，可能会发生一次底层数据的复制，这在极端情况下可能会有性能开销。
- **桥接问题:** 当 Swift 的集合类型与 Objective-C 的对应类型（如 NSArray, NSDictionary）进行桥接时，CoW 行为可能会失效或表现不同，因为 Objective-C 集合是引用类型。
总的来说，Copy-on-Write 是一种强大的底层优化，它让 Swift 的值类型集合在保持值类型语义的同时，也能实现高效的性能。
