說到 C/C++ 的資源管理，人人都會頭痛半天。自從 C++0x （就是 C++09 了）標準漏出風聲之后， C++ 標準是否會引入自動垃圾回收機制就成為了眾多 C++ 愛好者談論的話題。但是實際上，在 C++ 標準的探索上，垃圾回收一直處在一個十分低下的地位。造成其這一處境的原因很多，也很復雜。我們來看看站在 C++ 程序員的角度上看，資源管理機制現在所面臨的局勢。
從系統結構上來講， C/C++ 支持 3 種內存管理方式，基于棧的自動管理，基于堆的動態管理，和基于全局區的靜態管理。由于 RAII 的理念，對于 C++ 來說，內存管理和其他資源管理本質上沒有區別。因此對于資源而言，也就自然的擁有這樣 3 種管理方式。
首先簡要的介紹一下 RAII 。 RAII 的全稱是 Resource Acquisition Is initialization 。這個思想的基本手法是對于一種想要使用的資源，為其書寫一個 guard 類，在該類的構造函數里進行資源的請求，在析構函數里進行資源的釋放。例如假設我們想管理一個互斥鎖，可能的方式是：
struct lock_guard
{
lock_guard() { lock ();}
~ lock_guard() {unlock();}
} ;
此后，對這個對象使用什么內存管理方式，也就等價于對這個互斥鎖使用什么內存管理方式。
借助于 RAII ，以后我們可以只討論內存資源的管理方式，其它資源的管理方式可以使用 RAII 來同樣的實現。現在我們已經很自然的獲得了資源管理的 3 種方式：基于堆的動態方式、基于棧的自動方式和全局。值得一提的是，這 3 種方式中比較不容易出錯的后兩種實際上可以解決大部分的資源管理需求。因為絕大部分資源，都屬于獲取 - 使用 - 釋放型的，例如很多同步對象，文件鎖， WinGDI 里的許多 GDI 對象。我們缺乏管理的，只有那些一次獲得，多個環境擁有，并且只能有一次釋放的少數資源。
回到內存模型來看，有一點讓我們無法將內存與其它資源等同（反過來，把其它資源和內存等同卻是可以的），那就是循環引用。 A 內存可以持有指向 B 內存的引用， B 內存也可以反過來持有 A 內存的引用。循環引用導致內存管理不可以用“是否有指向該內存的引用”來區分一塊內存是否可以回收。從而喪失了一個絕佳的管理手段。但是在沒有循環引用的場合下，我們還是有非常簡潔高效的管理方法的。那就是引用計數。
引用計數是在沒有循環引用場合下進行內存管理的絕佳手段，它具有輕量、高效、即時、可控的優點。而且在 C++ 里，引用計數已經非常成熟，只需要使用 boost.shared_ptr 或者其它非官方的引用計數指針庫就可以了，而且據悉 C++09 很可能把 boost.shared_ptr 納入標準庫。引用計數的原則是，如果一個對象沒有別的指針或引用來指向它，那么這個對象就是可以釋放的。具體的手法有大把大把的資料可以查閱，這里就不詳細說明了。引用計數通常可以處理哪些場合的資源管理問題呢？首先，對于單方向的資源管理，也就是多個 A 的實體擁有 1 個 B ，然而 B 并不會反過來依賴于 A （例如多個對象共享一個日志），引用計數是非常合適的。其次，對于擁有 - 反作用的場合，也就是 1 個或多個 A 的實體擁有 1 個或多個 B ，而 B 也擁有這些 A 的實體的引用，但是 B 的生存期仍然決定于 A 的生存期（例如父窗口擁有若干子窗口，子窗口也具有 parent 指針指向父窗口，但是子窗口的生存期決定于父窗口的生存期），這個時候 A 可以對 B 使用引用計數指針，而 B 可以對 A 使用原生的普通指針，同樣的可以很好的解決問題。
現在所剩下的，就只有生存期的循環依賴了。如果 AB 互相持有對方的引用，而且 AB 互相的存在都依賴于對方，這樣引用計數就無法解決了。但是如果仔細想一下就會發現，這種情況在 C++ 里幾乎不可能存在。生存期循環依賴只有 2 種后果，要么 A 和 B 的析構函數里互相析構（當然就掛了），要么互相都不析構（當然就泄露了）。而這兩種都是在正常編程中不會出現的情況。所以如果即使僅僅使用引用計數，我們也可以解決幾乎所有的資源管理問題。
現在還剩下那么一丁點極少出現的不能處理的情況，我們可以使用更加復雜的 gc 來實現。可惜的是，實現一個 gc 所要耗費的精力實在太大，而且幾乎不可避免的要成為侵入式的庫。所以有點得不償失。而且 gc 通常會產生更多的毛病：
1． 你無法卻知對象析構的具體時間，從而無法真正知道影響程序性能的瓶頸在什么地方。
2． gc 都傾向于大量的使用內存，直到內存不夠的時候再進行清理，這樣會導致程序的內存用量嚴重顛簸，并且產生大量的換頁。
3． 過度的依賴于 gc 會使程序員大量的把可以由之前提到的各種方法來處理的資源交給 gc 來處理，無故的加重了 gc 的負擔。
4． gc 的管理方法和 C++ 的析構函數有可能產生語義上的沖突。
這就是為什么 C++ 標準對垃圾回收的態度如此惡劣的原因。
我們現在回過頭來看 Java/C# 這樣的內置 gc 的語言。這樣的語言由于使用了 gc ，就不可避免的放棄了析構函數。為什么 gc 會和析構函數產生沖突呢？一個 gc 一般會希望在進行垃圾回收的時候，整個過程是一個原子的，但析構函數會破壞這一點，在釋放內存的時候如果還要執行代碼，那么難免會對整個 gc 環境產生破壞性的影響。由于沒有析構函數，這些語言就不可能做到 RAII ，也就是說，它們的 gc 所能夠管理的，也就僅僅只有內存而已了。對于其他資源， Java 等就必須手動釋放。雖然 C# 提供了 with 關鍵字來緩解這一問題，但仍然無法徹底的解決。
還有什么麻煩呢？之前說的那 4 點全部都有。雖然 JVM 的速度在不斷的提高，但是內存使用這一點卻完全沒有發展，不能不說是 gc 說導致。它所帶來了什么好處呢？是內存管理的自動化，而不是資源管理的自動化。
所以說 C++ 并不是世人所想象的那樣需要 gc ， C++ 本身就已經提供了足夠強大的資源管理能力。基于棧的自動管理，或者使用引用計數，幾乎可以達到和 gc 同樣的覆蓋面，而且沒有 gc 的那些問題， RAII 使得 C++ 在管理非內存資源的時候還更加有優勢，為什么不使用呢？
ps. 設計一個非官方的 gc 庫還是可以的。但是畢竟不會成為主流了。
posted on 2007-01-24 18:02
shifan3 閱讀(2167)
評論(4) 編輯 收藏 引用 所屬分類:
C++