C++中的記憶體回收

[ 轉載文檔 本文適合中級讀者 已閱讀3260次 ] C++中的廢料收集 作者：死貓 提交者：eastvc 發布日期：2003-9-20 10:01:25 原文出處：http://www.cpphelp.net/issue/gc.html Java的愛好者們經常批評C++中沒有提供與Java類似的廢料收集(Gabage Collector)機制(這很正常，正如C++的愛好者有時也攻擊Java沒有這個沒有那個，或者這個不行那個不夠好)，導致C++中對動態儲存裝置的官吏稱為程式員的噩夢，不是嗎？你經常聽到的是記憶體遺失(memory leak)和非法指標存取，這一定令你很頭疼，而且你又不能拋棄指標帶來的靈活性。 在本文中，我並不想揭露Java提供的廢料收集機制的天生缺陷，而是指出了C++中引入廢料收集的可行性。請讀者注意，這裡介紹的方法更多的是基於當前標準和庫設計的角度，而不是要求修改語言定義或者擴充編譯器。 1 什麼是廢料收集？ 作為支援指標的程式設計語言，C++將動態管理儲存空間資源的便利性交給了程式員。在使用指標形式的對象時(請注意，由於引用在初始化後不能更改引用目標的語言機制的限制，多態性應用大多數情況下依賴於指標進行)，程式員必須自己完成儲存空間的分配、使用和釋放，語言本身在此過程中不能提供任何協助，也許除了按照你的要求正確的和作業系統親密合作，完成實際的儲存空間管理。標準文本中，多次提到了“未定義(undefined)”，而這大多數情況下和指標相關。 某些語言提供了廢料收集機制，也就是說程式員僅負責分配儲存空間和使用，而由語言本身負責釋放不再使用的儲存空間，這樣程式員就從討厭的儲存空間管理的工作中脫身了。然而C++並沒有提供類似的機制，C++的設計者Bjarne Stroustrup在我所知的唯一一本介紹語言設計的思想和哲學的著作《The Design and Evolution of C++》(中譯本：C++語言的設計和演化)中花了一個小節討論這個特性。簡而言之，Bjarne本人認為， “我有意這樣設計C++，使它不依賴於自動廢料收集(通常就直接說廢料收集)。這是基於自己對廢料收集系統的經驗，我很害怕那種嚴重的空間和時間開銷，也害怕由於實現和移植廢料收集系統而帶來的複雜性。還有，廢料收集將使C++不適合做許多底層的工作，而這卻正是它的一個設計目標。但我喜歡廢料收集的思想，它是一種機制，能夠簡化設計、排除掉許多產生錯誤的根源。 需要廢料收集的基本理由是很容易理解的：使用者的使用方便以及比使用者提供的儲存管理員模式更可靠。而反對廢料收集的理由也有很多，但都不是最根本的，而是關於實現和效率方面的。 已經有充分多的論據可以反駁：每個應用在有了廢料收集之後會做的更好些。類似的，也有充分的論據可以反對：沒有應用可能因為有了廢料收集而做得更好。 並不是每個程式都需要永遠無休止的運行下去；並不是所有的代碼都是基礎性的庫代碼；對於許多應用而言，出現一點儲存流失是可以接受的；許多應用可以管理自己的儲存，而不需要廢料收集或者其他與之相關的技術，如引用計數等。 我的結論是，從原則上和可行性上說，廢料收集都是需要的。但是對今天的使用者以及普遍的使用和硬體而言，我們還無法承受將C++的語義和它的基本庫定義在廢料收集系統之上的負擔。” 以我之見，統一的自動廢料收集系統無法適用於各種不同的應用環境，而又不至於導致實現上的負擔。稍後我將設計一個針對特定類型的可選的廢料收集器，可以很明顯地看到，或多或少總是存在一些效率上的開銷，如果強迫C++使用者必須接受這一點，也許是不可取的。 關於為什麼C++沒有廢料收集以及可能的在C++中為此做出的努力，上面提到的著作是我所看過的對這個問題敘述的最全面的，儘管只有短短的一個小節的內容，但是已經涵蓋了很多內容，這正是Bjarne著作的一貫特點，言簡意賅而內韻十足。 下面一步一步地向大家介紹我自己土製佳釀的廢料收集系統，可以按照需要自由選用，而不影響其他代碼。 2 建構函式和解構函式 C++中提供的建構函式和解構函式很好的解決了自動釋放資源的需求。Bjarne有一句名言，“資源需求就是初始化(Resource Inquirment Is Initialization)”。 因此，我們可以將需要分配的資源在建構函式中申請完成，而在解構函式中釋放已經分配的資源，只要對象的生存期結束，對象請求分配的資源即被自動釋放。 那麼就僅剩下一個問題了，如果對象本身是在自由儲存區(Free Store，也就是所謂的“堆”)中動態建立的，並由指標管理(相信你已經知道為什麼了)，則還是必須通過編碼顯式的調用解構函式，當然是藉助指標的delete運算式。 3 智能指標 幸運的是，出於某些原因，C++的標準庫中至少引入了一種類型的智能指標，雖然在使用上有局限性，但是它剛好可以解決我們的這個難題，這就是標準庫中唯一的一個智能指標::std::auto_ptr<>。 它將指標封裝成了類，並且重載了反引用(dereference)運算子operator *和成員選擇運算子operator ->，以模仿指標的行為。關於auto_ptr<>的具體細節，參閱《The C++ Standard Library》(中譯本：C++標準庫)。 例如以下代碼， #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;} 由於str是函數的局部對象，因此在函數退出點生存期結束，此時auto_ptr<string>的解構函式調用，自動銷毀內部指標維護的string對象(先前在建構函式中通過new運算式分配而來的)，並進而執行string的解構函式，釋放為實際的字串動態申請的記憶體。在string中也可能管理其他類型的資源，如用於多線程環境下的同步資源。說明了上面的過程。 進入函數foo 退出函數 | A V |auto_ptr<string>::auto<string>() auto_ptr<string>::~auto_ptr<string>() | A V | string::string() string::~string() | A V | _data=new char[] delete [] _data | A V | 使用資源 -----------------------------------> 釋放資源 現在我們擁有了最簡單的廢料收集機制(我隱瞞了一點，在string中，你仍然需要自己編碼控制對象的動態建立和銷毀，但是這種情況下的準則極其簡單，就是在建構函式中分配資源，在解構函式中釋放資源，就好像飛機駕駛員必須在起飛後和降落前檢查起落架一樣。)，即使在foo函數中發生了異常，str的生存期也會結束，C++保證自然退出時發生的一切在異常發生時一樣會有效。 auto_ptr<>只是智能指標的一種，它的複製行為提供了所有權轉移的語義，即智能指標在複製時將對內部維護的實際指標的所有權進行了轉移，例如 auto_ptr < string > str1( new string( < str1 > ) );cout << str1->c_str();auto_ptr < string > str2(str1); // str1內部指標不再指向原來的對象cout << str2->c_str(); cout << str1->c_str(); // 未定義，str1內部指標不再有效 某些時候，需要共用同一個對象，此時auto_ptr就不敷使用，由於某些曆史的原因，C++的標準庫中並沒有提供其他形式的智能指標，走投無路了嗎？ 4 另一種智能指標 但是我們可以自己製作另一種形式的智能指標，也就是具有值複製語義的，並且共用值的智能指標。 需要同一個類的多個對象同時擁有一個對象的拷貝時，我們可以使用引用計數(Reference Counting/Using Counting)來實現，曾經這是一個C++中為了提高效率與COW(copy on write，改寫時複製)技術一起被廣泛使用的技術，後來證明在多線程應用中，COW為了保證行為的正確反而導致了效率降低(Herb Shutter的在C++ Report雜誌中的Guru專欄以及整理後出版的《More Exceptional C++》中專門討論了這個問題)。 然而對於我們目前的問題，引用計數本身並不會有太大的問題，因為沒有牽涉到複製問題，為了保證多線程環境下的正確，並不需要過多的效率犧牲，但是為了簡化問題，這裡忽略了對於多安全執行緒的考慮。 首先我們仿造auto_ptr設計了一個類模板(出自Herb Shutter的《More Execptional C++》)， template < typename T >class shared_ptr{private: class implement // 實作類別，引用計數 { public: implement(T* pp):p(pp),refs(1){} ~implement(){delete p;} T* p; // 實際指標 size_t refs; // 引用計數 }; implement* _impl;public: explicit shared_ptr(T* p) : _impl(new implement(p)){} ~shared_ptr() { decrease(); // 計數遞減 } shared_ptr(const shared_ptr& rhs) : _impl(rhs._impl) { increase(); // 計數遞增 } shared_ptr& operator=(const shared_ptr& rhs) { if (_impl != rhs._impl) // 避免自賦值 { decrease(); // 計數遞減，不再共用原對象 _impl=rhs._impl; // 共用新的對象 increase(); // 計數遞增，維護正確的引用計數值 } return *this; } T* operator->() const { return _impl->p; } T& operator*() const { return *(_impl->p); } private: void decrease() { if (--(_impl->refs)==0) { // 不再被共用，銷毀對象 delete _impl; } } void increase() { ++(_impl->refs); }}; 這個類模板是如此的簡單，所以都不需要對代碼進行太多地說明。這裡僅僅給出一個簡單的使用執行個體，足以說明shared_ptr<>作為簡單的廢料收集器的替代品。 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()函數中，先調用foo1(val)，函數中使用了一個局部對象temp，它和val共用同一份資料，並修改了實際值，函數返回後，val擁有的值同樣也發生了變化，而實際上val本身並沒有修改過。 然後調用了foo2(val)，函數中使用了一個無名的臨時對象建立了一個新值，使用賦值運算式修改了val，同時val和臨時對象擁有同一個值，函數返回時，val仍然擁有這正確的值。 最後，在整個過程中，除了在使用shared_ptr < int >的建構函式時使用了new運算式建立新之外，並沒有任何刪除指標的動作，但是所有的記憶體管理均正確無誤，這就是得益於shared_ptr<>的精巧的設計。 擁有了auto_ptr<>和shared_ptr<>兩大利器以後，應該足以應付大多數情況下的廢料收集了，如果你需要更複雜語義(主要是指複製時的語義)的智能指標，可以參考boost的原始碼，其中設計了多種類型的智能指標。 5 標準容器 對於需要在程式中擁有相同類型的多個對象，善用標準庫提供的各種容器類，可以最大限度的杜絕顯式的記憶體管理，然而標準容器並不適用於儲存指標，這樣對於多態性的支援仍然面臨困境。 使用智能指標作為容器的元素類型，然而標準容器和演算法大多數需要值複製語義的元素，前面介紹的轉移所有權的auto_ptr和自製的共用對象的shared_ptr都不能提供正確的值複製語義，Herb Sutter在《More Execptional C++》中設計了一個具有完全複製語義的智能指標ValuePtr，解決了指標用於標準容器的問題。 然而，多態性仍然沒有解決，我將在另一篇文章專門介紹使用容器管理多態對象的問題。 6 語言支援 為什麼不在C++語言中增加對廢料收集的支援？ 根據前面的討論，我們可以看見，不同的應用環境，也許需要不同的廢料收集器，不管三七二十一使用廢料收集，需要將這些不同類型的廢料收集器整合在一起，即使可以成功(對此我感到懷疑)，也會導致效率成本的增加。 這違反了C++的設計哲學，“不為不必要的功能支付代價”，強迫使用者接受廢料收集的代價並不可取。 相反，按需選擇你自己需要的廢料收集器，需要掌握的規則與顯式的管理記憶體相比，簡單的多，也不容易出錯。 最關鍵的一點， C++並不是“傻瓜型”的程式設計語言，他青睞喜歡和善于思考的編程者，設計一個合適自己需要的廢料收集器，正是對喜愛C++的程式員的一種挑戰。