C++ 为什么不加入垃圾回收机制

你的名字 2023-03-13 11:40 9阅读 0赞

Java的爱好者们经常批评C++中没有提供与Java类似的垃圾回收(Gabage Collector)机制(这很正常，正如C++的爱好者有时也攻击Java没有这个没有那个，或者这个不行那个不够好)，导致C++中对动态存储的官吏称为[程序员][Link 1]的噩梦，不是吗？你经常听到的是内存遗失(memory leak)和非法指针存取，这一定令你很头疼，而且你又不能抛弃指针带来的灵活性。

在本文中，我并不想揭露Java提供的垃圾回收机制的天生缺陷，而是指出了C++中引入垃圾回收的可行性。请读者注意，这里介绍的方法更多的是基于当前标准和库设计的角度，而不是要求修改语言定义或者扩展编译器。

**什么是垃圾回收？**

作为支持指针的编程语言，C++将动态管理存储器资源的便利性交给了程序员。在使用指针形式的对象时(请注意，由于引用在初始化后不能更改引用目标的语言机制的限制，多态性应用大多数情况下依赖于指针进行)，程序员必须自己完成存储器的分配、使用和释放，语言本身在此过程中不能提供任何帮助，也许除了按照你的要求正确的和操作系统亲密合作，完成实际的存储器管理。标准文本中，多次提到了“未定义(undefined)”，而这大多数情况下和指针相关。

某些语言提供了垃圾回收机制，也就是说程序员仅负责分配存储器和使用，而由语言本身负责释放不再使用的存储器，这样程序员就从讨厌的存储器管理的工作中脱身了。然而C++并没有提供类似的机制，C++的设计者Bjarne Stroustrup在我所知的唯一一本介绍语言设计的思想和哲学的著作《The Design and Evolution of C++》(中译本：C++语言的设计和演化)中花了一个小节讨论这个特性。简而言之，Bjarne本人认为，

“我有意这样设计C++，使它不依赖于自动垃圾回收(通常就直接说垃圾回收)。这是基于自己对垃圾回收系统的经验，我很害怕那种严重的空间和时间开销，也害怕由于实现和移植垃圾回收系统而带来的复杂性。还有，垃圾回收将使C++不适合做许多底层的工作，而这却正是它的一个设计目标。但我喜欢垃圾回收的思想，它是一种机制，能够简化设计、排除掉许多产生错误的根源。

需要垃圾回收的基本理由是很容易理解的：用户的使用方便以及比用户提供的存储管理模式更可靠。而反对垃圾回收的理由也有很多，但都不是最根本的，而是关于实现和效率方面的。

已经有充分多的论据可以反驳：每个应用在有了垃圾回收之后会做的更好些。类似的，也有充分的论据可以反对：没有应用可能因为有了垃圾回收而做得更好。

并不是每个程序都需要永远无休止的运行下去；并不是所有的代码都是基础性的库代码；对于许多应用而言，出现一点存储流失是可以接受的；许多应用可以管理自己的存储，而不需要垃圾回收或者其他与之相关的技术，如引用计数等。

我的结论是，从原则上和可行性上说，垃圾回收都是需要的。但是对今天的用户以及普遍的使用和硬件而言，我们还无法承受将C++的语义和它的基本库定义在垃圾回收系统之上的负担。”

以我之见，统一的自动垃圾回收系统无法适用于各种不同的应用环境，而又不至于导致实现上的负担。稍后我将设计一个针对特定类型的可选的垃圾回收器，可以很明显地看到，或多或少总是存在一些效率上的开销，如果强迫C++用户必须接受这一点，也许是不可取的。

关于为什么C++没有垃圾回收以及可能的在C++中为此做出的努力，上面提到的著作是我所看过的对这个问题叙述的最全面的，尽管只有短短的一个小节的内容，但是已经涵盖了很多内容，这正是Bjarne著作的一贯特点，言简意赅而内韵十足。

下面一步一步地向大家介绍我自己土制佳酿的垃圾回收系统，可以按照需要自由选用，而不影响其他代码。

**构造函数和析构函数**

C++中提供的构造函数和析构函数很好的解决了自动释放资源的需求。Bjarne有一句名言，“资源需求就是初始化(Resource Inquirment Is Initialization)”。

因此，我们可以将需要分配的资源在构造函数中申请完成，而在析构函数中释放已经分配的资源，只要对象的生存期结束，对象请求分配的资源即被自动释放。

那么就仅剩下一个问题了，如果对象本身是在自由存储区(Free Store，也就是所谓的“堆”)中动态创建的，并由指针管理(相信你已经知道为什么了)，则还是必须通过编码显式的调用析构函数，当然是借助指针的delete表达式。

**智能指针**

幸运的是，出于某些原因，C++的标准库中至少引入了一种类型的智能指针，虽然在使用上有局限性，但是它刚好可以解决我们的这个难题，这就是标准库中唯一的一个智能指针::std::auto\_ptr。

它将指针包装成了类，并且重载了反引用(dereference)运算符operator \*和成员选择运算符operator ->，以模仿指针的行为。关于auto\_ptr的具体细节，参阅《The C++ Standard Library》(中译本：C++标准库)。

例如以下代码，

**\#include <cstring>****\#include <memory>****\#include <iostream>****class** string\{ **public**:    string(**const** **char**\* cstr) \{ \_data=**new** **char** \[ strlen(cstr)+1 \]; strcpy(\_data, cstr); \}    ~string() \{ **delete** \[\] \_data; \}    const char\* c\_str() const \{ **return** \_data; \}**private**:    **char**\* \_data;\};void foo()\{    ::std::auto\_ptr <string> str ( **new** string( " hello " ) );    ::std::cout << str->c\_str() << ::std::endl;\}

由于str是函数的局部对象，因此在函数退出点生存期结束，此时auto\_ptr的析构函数调用，自动销毁内部指针维护的string对象(先前在构造函数中通过new表达式分配而来的)，并进而执行string的析构函数，释放为实际的字符串动态申请的内存。在string中也可能管理其他类型的资源，如用于多线程环境下的同步资源。下图说明了上面的过程。

![format_png][]

现在我们拥有了最简单的垃圾回收机制(我隐瞒了一点，在string中，你仍然需要自己编码控制对象的动态创建和销毁，但是这种情况下的准则极其简单，就是在构造函数中分配资源，在析构函数中释放资源，就好像飞机驾驶员必须在起飞后和降落前检查起落架一样。)，即使在foo函数中发生了异常，str的生存期也会结束，C++保证自然退出时发生的一切在异常发生时一样会有效。

auto\_ptr只是智能指针的一种，它的复制行为提供了所有权转移的语义，即智能指针在复制时将对内部维护的实际指针的所有权进行了转移，例如

auto\_ptr <string> str1( **new** string( <str1> ) );cout << str1->c\_str();auto\_ptr <string> str2(str1); // str1内部指针不再指向原来的对象cout << str2->c\_str(); cout << str1->c\_str(); // 未定义，str1内部指针不再有效

某些时候，需要共享同一个对象，此时auto\_ptr就不敷使用，由于某些历史的原因，C++的标准库中并没有提供其他形式的智能指针，走投无路了吗？

**另一种智能指针**

但是我们可以自己制作另一种形式的智能指针，也就是具有值复制语义的，并且共享值的智能指针。

需要同一个类的多个对象同时拥有一个对象的拷贝时，我们可以使用引用计数(Reference Counting/Using Counting)来实现，曾经这是一个C++中为了提高效率与COW(copy on write，改写时复制)技术一起被广泛使用的技术，后来证明在多线程应用中，COW为了保证行为的正确反而导致了效率降低(Herb Shutter的在C++ Report杂志中的Guru专栏以及整理后出版的《More Exceptional C++》中专门讨论了这个问题)。

然而对于我们目前的问题，引用计数本身并不会有太大的问题，因为没有牵涉到复制问题，为了保证多线程环境下的正确，并不需要过多的效率牺牲，但是为了简化问题，这里忽略了对于多线程安全的考虑。

首先我们仿造auto\_ptr设计了一个类模板(出自Herb Shutter的《More Execptional C++》)，

template <typename T>**class** **shared\_ptr**\{ **private**:  **class** **implement**  // 实现类，引用计数  \{  **public**:    implement(T\* pp):p(pp),refs(1)\{\}    ~implement()\{delete p;\}    T\* p; // 实际指针    size\_t refs; // 引用计数  \};  implement\* \_impl;**public**:  explicit shared\_ptr(T\* p)    :  \_impl(new implement(p))\{\}  ~shared\_ptr()  \{    decrease();  // 计数递减  \}  shared\_ptr(**const** shared\_ptr& rhs)    :  \_impl(rhs.\_impl)  \{    increase();  // 计数递增  \}  shared\_ptr& **operator**=(**const** shared\_ptr& rhs)  \{    **if** (\_impl != rhs.\_impl)  // 避免自赋值    \{      decrease();  // 计数递减，不再共享原对象      \_impl=rhs.\_impl;  // 共享新的对象      increase();  // 计数递增，维护正确的引用计数值    \}    **return** \***this**;  \}  T\* **operator**\->() **const**  \{    **return** \_impl->p;  \}  T& **operator**\*() **const**  \{    **return** \*(\_impl->p);  \}**private**:  void decrease()  \{    **if** (--(\_impl->refs)==0)    \{  // 不再被共享，销毁对象      delete \_impl;    \}  \}  void increase()  \{    ++(\_impl->refs);  \}\};

这个类模板是如此的简单，所以都不需要对代码进行太多地说明。这里仅仅给出一个简单的使用实例，足以说明shared\_ptr作为简单的垃圾回收器的替代品。

void foo1(shared\_ptr <int>& val)\{  shared\_ptr <**int**> temp(val);  \*temp=300;\}void foo2(shared\_ptr <int>& val)\{  val=shared\_ptr <**int**> ( **new** **int**(200) );\}int main()\{  shared\_ptr <**int**> val(**new** **int**(100));  cout<<"val="<<\*val;  foo1(val);   cout<<"val="<<\*val;  foo2(val);  cout<<"val="<<\*val;\}

在main()函数中，先调用foo1(val)，函数中使用了一个局部对象temp，它和val共享同一份数据，并修改了实际值，函数返回后，val拥有的值同样也发生了变化，而实际上val本身并没有修改过。

然后调用了foo2(val)，函数中使用了一个无名的临时对象创建了一个新值，使用赋值表达式修改了val，同时val和临时对象拥有同一个值，函数返回时，val仍然拥有这正确的值。

最后，在整个过程中，除了在使用shared\_ptr 的构造函数时使用了new表达式创建新之外，并没有任何删除指针的动作，但是所有的内存管理均正确无误，这就是得益于shared\_ptr的精巧的设计。

拥有了auto\_ptr和shared\_ptr两大利器以后，应该足以应付大多数情况下的垃圾回收了，如果你需要更复杂语义(主要是指复制时的语义)的智能指针，可以参考boost的源代码，其中设计了多种类型的智能指针。

**标准容器**

对于需要在程序中拥有相同类型的多个对象，善用标准库提供的各种容器类，可以最大限度的杜绝显式的内存管理，然而标准容器并不适用于储存指针，这样对于多态性的支持仍然面临困境。

使用智能指针作为容器的元素类型，然而标准容器和算法大多数需要值复制语义的元素，前面介绍的转移所有权的auto\_ptr和自制的共享对象的shared\_ptr都不能提供正确的值复制语义，Herb Sutter在《More Execptional C++》中设计了一个具有完全复制语义的智能指针ValuePtr，解决了指针用于标准容器的问题。

然而，多态性仍然没有解决，我将在另一篇文章专门介绍使用容器管理多态对象的问题。

**语言支持**

为什么不在C++语言中增加对垃圾回收的支持？

根据前面的讨论，我们可以看见，不同的应用环境，也许需要不同的垃圾回收器，不管三七二十一使用垃圾回收，需要将这些不同类型的垃圾回收器整合在一起，即使可以成功(对此我感到怀疑)，也会导致效率成本的增加。

这违反了C++的设计哲学，“不为不必要的功能支付代价”，强迫用户接受垃圾回收的代价并不可取。

相反，按需选择你自己需要的垃圾回收器，需要掌握的规则与显式的管理内存相比，简单的多，也不容易出错。

最关键的一点， C++并不是“傻瓜型”的编程语言，他青睐喜欢和善于思考的编程者，设计一个合适自己需要的垃圾回收器，正是对喜爱C++的程序员的一种挑战。

[Link 1]: http://www.codeceo.com/
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