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C++下的垃圾回收機制可能會在下個版本加入,我只是想通過實例,分析垃圾回收器的內部機制,深入了解以后,在以后
的項目中,就可以對是否需要垃圾回收功能做出準確的判斷。

它是否影響性能,能影響多少,回收的代價等等問題就會顯得更加明確。

對C++下垃圾回收的討論很多,有興趣可以看看這里這里。至于實現,惠普的垃圾回收器是一個產品化的開源項目,而且已經被很多項目使用。但是他的具體實現總是讓人感覺不是很可靠。云風是一個簡單的回收器,有人對其源碼進行研究,有興趣可以看這里,它沒有內存緊縮功能。

首先,說說垃圾回收的目標,也就是需求。
1. 不能有內存泄漏(最基本的要求)。
2. 能自動回收無用內存(當然需要解決循環引用問題)。
3. 能整理內存(內存緊縮),程序運行時間長了,總會有小塊內存無法被重復使用。

先說說前兩條需求,程序中的所有已分配內存都應該有其對應的指針指向它,如果一塊內存沒有任何指針指向它,那么我們說這塊內存被泄漏了(這里內存泄漏的定義和Java不太一樣)。

簡單的表述就是無用對象且不可達。

什么叫可達?可達表示從哪里為起點可達?這里要引出一個叫根集的概念:在程序運行的任意狀態,寄存器(考慮多核CPU在多線程下),程序棧,和靜態數據段中所有的指針的集合叫根集。
所以可達指的是這塊內存從根集出發,可以找到一個指向它的指針,不可達就是找不到。

要實現垃圾回收器,首先要能在程序的任意狀態,找到根集。其次是要能管理所有堆上的內存。當從根集掃描發現一塊不可達內存時,這塊內存就應該被收集。

注意上圖:黃色的指針表示它是根集,紅色的指針則不是根集。
要回收內存,首先要知道內存的地址,所以上圖中4塊內存的地址是必須知道的。

看看要回收內存,需要知道那些信息吧:

根集和內存塊集。收集前,先從根集順著黑色的箭頭開始掃描,對所以掃描到的內存塊做個標記,然后從內存塊集中檢查所有內存塊,如果被做了標記,就保留,如果沒有做標記,就收集。

怎么得到根集呢?對于像Java,C#之類的語言,它的指針是受到虛擬機或者Framework控制的,但是在C++中,原生的指針(raw pointer)是不受控制的,而且Scott Meyers([More] Effective C++)的作者,
Andrew Koenig夫婦(C++ 沉思錄)的作者,這些大牛們多次勸告,不要使用原生指針。

所以以前有auto_ptr, 現在有shared_ptr問世。為了得到根集,我也將原生指針進行包裝,只不過不用于所有權管理,也不用于引用計數,而是用于得到根集。
首先看看指針的定義:

class pointer_base
{
public:
    
virtual ~pointer_base()
    
{}

    
virtual void* get_ptr() const = 0;
    
virtual void set_ptr(const void *p) = 0;
}
;

template 
<class _T>
class pointer : public pointer_base
{
public:
    pointer()
        : p(NULL)
    
{
        
gc_register(*this);
    }

    pointer(_T
* t)
        : p(t)
    
{
        gc_register(*this);
    }

    _T
& operator*() const
    
{
        
return *p;
    }


    _T
* operator->() const
    
{
        
return p;
    }

private:
    _T 
*p;
}
;

 

注意pointer的構造函數,它將自己注冊到根集中去。

再看看根集:

std::list<pointer_base *> gc_root_set;


gc_register 函數也就是做了一個push_back。

有人會問,那要是出現這種情況:

class A
{
    
//
}
;

class B
{
    pointer
<A> pA;
}
;

void main()
{
    B
* pB = new B();
}

那不是pB->pA在堆上嗎?不應該屬于根集呀。
這個問題就要和內存塊管理扯上關系啦,下篇再說
整個垃圾回收器已經寫完并簡單的測試代碼在這里,有興趣可以看看并測試。

 

posted on 2010-02-08 15:49 尹東斐 閱讀(5198) 評論(3)  編輯 收藏 引用

FeedBack:
# re: C++下垃圾回收器的實現(一)
2010-02-08 16:51 | Bill Gates
其實這種做法最多你自己可以管理你自己內存,你用了一個庫,比如c runtime,就沒發了。只有像Hans_Boehm GC這種,才可以保證實際的工程可用,因為你用C++不可避免會用到其他人寫的庫。  回復  更多評論
  
# re: C++下垃圾回收器的實現(一)
2010-02-08 17:25 | 尹東斐
@Bill Gates

我之前提到這個Hans_Boehm GC, 它由于是Conservative Garbage Collector,所以沒有辦法證明其絕對安全。

他的算法通過指針的地址判斷指針是否在堆上,重載全局new以后,他控制了所有內存分配,他知道堆上最小的地址和最大的地址,然后通過判斷指針的地址是否落在在個區域內部來判斷這個指針在堆上還是棧上。

這種方法沒辦法實現內存緊縮的功能。

還有,在工程中,用到其他庫的的時候都會考慮包裝,一般不會直接使用,加一個間接層,即使它的內存不完全由你控制,但是你還是可以部分控制的。  回復  更多評論
  
# re: C++下垃圾回收器的實現(一)
2010-02-08 19:34 | jimmy
看到個滿贊的文章,一看原來是你寫的。~
果然很高深呢。  回復  更多評論
  
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