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C++ 为什么不加入垃圾回收机制

时间:2016-12-02 19:52来源:电脑教程学习网 www.etwiki.cn 编辑:admin

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。

C++ 为什么不加入垃圾回收机制0

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?

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