MATLAB程序设计语言(3.4)---传值机制和COW

公众号：理念世界的影子

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MATLAB功能强大，编程方便，是国际广泛使用的计算软件。目前已有很多书籍介绍其在工程上的应用，但很少有从程序设计语言的角度写的书或文章。

申 明

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本MATLAB系列均为笔者在闲暇时思考所得，偶有心得，欣喜之余，也迫切希望能与各位网友互相讨论，共同促进、共同提高。但鉴于MATLAB系列阅读量不高，互动不足，写完本篇后，近期不再更新。

MATLAB使用方便是众所周知的，那是否意味着其效率就低呢？MATLAB在设计时，采用了很多办法来解决效率问题。

写时复制机制(COW)

+

1  a=zeros(3,4);

2  fprintf('变量a地址 : ');dispaddr(a);   % 显示a变量地址

3  dispmem(getaddr(a), 56);   % 显示a变量头

4  b=a;

5  fprintf('变量b地址 : ');dispaddr(b);   % 显示b变量地址

6  dispmem(getaddr(b), 56);   % 显示b变量头

7  fprintf('b=a后变量a地址 : ');dispaddr(a);   % 再次显示a变量地址

8  dispmem(getaddr(a), 56);   % 显示a变量头

9  b(2)=3;

10  fprintf('修改b后变量b地址 : ');dispaddr(b);   % 显示b变量地址

11  dispmem(getaddr(b), 56);   % 显示b变量头

12  fprintf('修改b后变量a地址 : ');dispaddr(a);   % 再次显示a变量地址

13  dispmem(getaddr(a), 56);   % 显示a变量头

程序在第1、4、9行分别赋值a, b=a, 修改b，然后打印变量地址和mxArray头。执行后输出如下：

申请b=a后，发现了3个现象：

• 第13～16字节出现了以前未见过的信息，如果仔细观察，发现其就是变量a地址；

• 变量a的mxArray头变化了。赋值居然对原变量有影响！仔细观察，实际上是将b的地址注册进了a；

• b变量的数据区地址与a一模一样。

修改b后，发现：

• 变量b的a引用被解除，而且被修改变量的数据区地址发生了变化；

• 变量a的b引用被解除，数据区仍保存。

同理，如果直接更改a，会发现a、b的引用被解除，同时b的数据区保存，a的数据区被更改。

上述现象就是MATLAB的写时复制机制(Copy on Write, COW)。通过这种方式，函数调用时传值几乎可以达到传址的效果，在提高效率同时，规避了传址的一些副作用（改变了原变量）。值得一提的是，COW的使用可能不止这里写的这么简单，很多的底层函数实现需考虑COW的影响，做起来不一定是那么容易的事情。

好在，这一切对于MATLAB用户而言都是黑盒子，我们完全可以用简单的语法形式，享受其效率。

传值机制

+

1  function test_passvalue

2  a=3;

3  passvalue(a)  % 调用函数

4   a

5  function passvalue(a)  % 函数中传入变量

6  a=4

在函数调用时，如果传入参数，并在程序中更改了此参数，退出后发现被传的参数不会改变。因此，可以认为MATLAB是传值的。

有时可能会担心，如果被调函数的参数是一个特别大的（譬如数百M的矩阵）数据，在函数调用时，对值的复制将产生巨大开销。

针对此，Fortran程序采用传址机制提高了效率，C语言有传递指针的传址机制，但MATLAB中并没有这种机制（除了handle类）。它采用了一种综合的方法。

explore_passvalue.m

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1  function explore_passvalue

2  a=3;

3  fprintf('变量地址 : ');dispaddr(a);   % 显示变量地址

4  dispmem(getaddr(a), 56);   % 显示变量头

5  passvalue(a)  % 调用函数

6  function passvalue(a)  % 函数中传入变量

7  fprintf('变量地址传入函数后地址 : ');dispaddr(a);

8  dispmem(getaddr(a), 56);

运行后输出

运行后查看输出发现，MATLAB传入函数参数后，复制并改变的仅是参数的mxArray头，数据区并未改变。即使传入数百M的矩阵，MATLAB改变的仅仅是数字节的信息。

这种将传值机制与写时复制机制结合的策略，一方面大幅提高了程序运行效率，另外一方面，对传入值的改变不会更改传入数据本身，从而大幅提高了程序的透明性和安全性。

作为一件趣事，笔者发现，在编辑器中运行脚本a=[1,2];dispmem(getaddr(a),56);和在命令解释器中运行上述两个命令输出的结果是不同的。直接运行脚本，将发现变量a产生了一个影子变量。也许脚本的环境与基工作空间(base workspace)的环境并不是一个东西，而是它的一个影子吧。

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