Java的愛好者們經(jīng)常批評C++中沒有提供與Java類似的垃圾回收(Gabage Collector)機(jī)制(這很正常，正如C++的愛好者有時(shí)也攻擊Java沒有這個(gè)沒有那個(gè)，或者這個(gè)不行那個(gè)不夠好)，導(dǎo)致C++中對動態(tài)存儲的官吏稱為程序員的噩夢，不是嗎？你經(jīng)常聽到的是內(nèi)存遺失(memory leak)和非法指針存取，這一定令你很頭疼，而且你又不能拋棄指針帶來的靈活性。

在本文中，我并不想揭露Java提供的垃圾回收機(jī)制的天生缺陷，而是指出了C++中引入垃圾回收的可行性。請讀者注意，這里介紹的方法更多的是基于當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)和庫設(shè)計(jì)的角度，而不是要求修改語言定義或者擴(kuò)展編譯器。

什么是垃圾回收？

作為支持指針的編程語言，C++將動態(tài)管理存儲器資源的便利性交給了程序員。在使用指針形式的對象時(shí)(請注意，由于引用在初始化后不能更改引用目標(biāo)的語言機(jī)制的限制，多態(tài)性應(yīng)用大多數(shù)情況下依賴于指針進(jìn)行)，程序員必須自己完成存儲器的分配、使用和釋放，語言本身在此過程中不能提供任何幫助，也許除了按照你的要求正確的和操作系統(tǒng)親密合作，完成實(shí)際的存儲器管理。標(biāo)準(zhǔn)文本中，多次提到了“未定義(undefined)”，而這大多數(shù)情況下和指針相關(guān)。

某些語言提供了垃圾回收機(jī)制，也就是說程序員僅負(fù)責(zé)分配存儲器和使用，而由語言本身負(fù)責(zé)釋放不再使用的存儲器，這樣程序員就從討厭的存儲器管理的工作中脫身了。然而C++并沒有提供類似的機(jī)制，C++的設(shè)計(jì)者Bjarne Stroustrup在我所知的唯一一本介紹語言設(shè)計(jì)的思想和哲學(xué)的著作《The Design and Evolution of C++》(中譯本：C++語言的設(shè)計(jì)和演化)中花了一個(gè)小節(jié)討論這個(gè)特性。簡而言之，Bjarne本人認(rèn)為，

“我有意這樣設(shè)計(jì)C++，使它不依賴于自動垃圾回收(通常就直接說垃圾回收)。這是基于自己對垃圾回收系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，我很害怕那種嚴(yán)重的空間和時(shí)間開銷，也害怕由于實(shí)現(xiàn)和移植垃圾回收系統(tǒng)而帶來的復(fù)雜性。還有，垃圾回收將使C++不適合做許多底層的工作，而這卻正是它的一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)。但我喜歡垃圾回收的思想，它是一種機(jī)制，能夠簡化設(shè)計(jì)、排除掉許多產(chǎn)生錯(cuò)誤的根源。

需要垃圾回收的基本理由是很容易理解的：用戶的使用方便以及比用戶提供的存儲管理模式更可靠。而反對垃圾回收的理由也有很多，但都不是最根本的，而是關(guān)于實(shí)現(xiàn)和效率方面的。

已經(jīng)有充分多的論據(jù)可以反駁：每個(gè)應(yīng)用在有了垃圾回收之后會做的更好些。類似的，也有充分的論據(jù)可以反對：沒有應(yīng)用可能因?yàn)橛辛死厥斩龅酶谩?/p>

并不是每個(gè)程序都需要永遠(yuǎn)無休止的運(yùn)行下去；并不是所有的代碼都是基礎(chǔ)性的庫代碼；對于許多應(yīng)用而言，出現(xiàn)一點(diǎn)存儲流失是可以接受的；許多應(yīng)用可以管理自己的存儲，而不需要垃圾回收或者其他與之相關(guān)的技術(shù)，如引用計(jì)數(shù)等。

我的結(jié)論是，從原則上和可行性上說，垃圾回收都是需要的。但是對今天的用戶以及普遍的使用和硬件而言，我們還無法承受將C++的語義和它的基本庫定義在垃圾回收系統(tǒng)之上的負(fù)擔(dān)?！?/p>

以我之見，統(tǒng)一的自動垃圾回收系統(tǒng)無法適用于各種不同的應(yīng)用環(huán)境，而又不至于導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)上的負(fù)擔(dān)。稍后我將設(shè)計(jì)一個(gè)針對特定類型的可選的垃圾回收器，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(qiáng)迫C++用戶必須接受這一點(diǎn)，也許是不可取的。

關(guān)于為什么C++沒有垃圾回收以及可能的在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(gè)問題敘述的最全面的，盡管只有短短的一個(gè)小節(jié)的內(nèi)容，但是已經(jīng)涵蓋了很多內(nèi)容，這正是Bjarne著作的一貫特點(diǎn)，言簡意賅而內(nèi)韻十足。

下面一步一步地向大家介紹我自己土制佳釀的垃圾回收系統(tǒng)，可以按照需要自由選用，而不影響其他代碼。

構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)

C++中提供的構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)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構(gòu)造函數(shù)中申請完成，而在析構(gòu)函數(shù)中釋放已經(jīng)分配的資源，只要對象的生存期結(jié)束，對象請求分配的資源即被自動釋放。

那么就僅剩下一個(gè)問題了，如果對象本身是在自由存儲區(qū)(Free Store，也就是所謂的“堆”)中動態(tài)創(chuàng)建的，并由指針管理(相信你已經(jīng)知道為什么了)，則還是必須通過編碼顯式的調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，當(dāng)然是借助指針的delete表達(dá)式。

智能指針

幸運(yùn)的是，出于某些原因，C++的標(biāo)準(zhǔn)庫中至少引入了一種類型的智能指針，雖然在使用上有局限性，但是它剛好可以解決我們的這個(gè)難題，這就是標(biāo)準(zhǔn)庫中唯一的一個(gè)智能指針::std::auto_ptr。

它將指針包裝成了類，并且重載了反引用(dereference)運(yùn)算符operator *和成員選擇運(yùn)算符operator ->，以模仿指針的行為。關(guān)于auto_ptr的具體細(xì)節(jié)，參閱《The C++ Standard Library》(中譯本：C++標(biāo)準(zhǔn)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;
}

由于str是函數(shù)的局部對象，因此在函數(shù)退出點(diǎn)生存期結(jié)束，此時(shí)auto_ptr的析構(gòu)函數(shù)調(diào)用，自動銷毀內(nèi)部指針維護(hù)的string對象(先前在構(gòu)造函數(shù)中通過new表達(dá)式分配而來的)，并進(jìn)而執(zhí)行string的析構(gòu)函數(shù)，釋放為實(shí)際的字符串動態(tài)申請的內(nèi)存。在string中也可能管理其他類型的資源，如用于多線程環(huán)境下的同步資源。下圖說明了上面的過程。

現(xiàn)在我們擁有了最簡單的垃圾回收機(jī)制(我隱瞞了一點(diǎn)，在string中，你仍然需要自己編碼控制對象的動態(tài)創(chuàng)建和銷毀，但是這種情況下的準(zhǔn)則極其簡單，就是在構(gòu)造函數(shù)中分配資源，在析構(gòu)函數(shù)中釋放資源，就好像飛機(jī)駕駛員必須在起飛后和降落前檢查起落架一樣。)，即使在foo函數(shù)中發(fā)生了異常，str的生存期也會結(jié)束，C++保證自然退出時(shí)發(fā)生的一切在異常發(fā)生時(shí)一樣會有效。

auto_ptr只是智能指針的一種，它的復(fù)制行為提供了所有權(quán)轉(zhuǎn)移的語義，即智能指針在復(fù)制時(shí)將對內(nèi)部維護(hù)的實(shí)際指針的所有權(quán)進(jìn)行了轉(zhuǎn)移，例如：

auto_ptr <string> str1( new string( <str1> ) );
cout << str1->c_str();
auto_ptr <string> str2(str1); // str1內(nèi)部指針不再指向原來的對象
cout << str2->c_str();
cout << str1->c_str(); // 未定義，str1內(nèi)部指針不再有效

某些時(shí)候，需要共享同一個(gè)對象，此時(shí)auto_ptr就不敷使用，由于某些歷史的原因，C++的標(biāo)準(zhǔn)庫中并沒有提供其他形式的智能指針，走投無路了嗎？

另一種智能指針

但是我們可以自己制作另一種形式的智能指針，也就是具有值復(fù)制語義的，并且共享值的智能指針。

需要同一個(gè)類的多個(gè)對象同時(shí)擁有一個(gè)對象的拷貝時(shí)，我們可以使用引用計(jì)數(shù)(Reference Counting/Using Counting)來實(shí)現(xiàn)，曾經(jīng)這是一個(gè)C++中為了提高效率與COW(copy on write，改寫時(shí)復(fù)制)技術(shù)一起被廣泛使用的技術(shù)，后來證明在多線程應(yīng)用中，COW為了保證行為的正確反而導(dǎo)致了效率降低(Herb Shutter的在C++ Report雜志中的Guru專欄以及整理后出版的《More Exceptional C++》中專門討論了這個(gè)問題)。

然而對于我們目前的問題，引用計(jì)數(shù)本身并不會有太大的問題，因?yàn)闆]有牽涉到復(fù)制問題，為了保證多線程環(huán)境下的正確，并不需要過多的效率犧牲，但是為了簡化問題，這里忽略了對于多線程安全的考慮。

首先我們仿造auto_ptr設(shè)計(jì)了一個(gè)類模板(出自Herb Shutter的《More Execptional C++》)，

template <typename T>
class shared_ptr
{
private:
 class implement  // 實(shí)現(xiàn)類，引用計(jì)數(shù)
 {
 public:
   implement(T* pp):p(pp),refs(1){}
   ~implement(){delete p;}
   T* p; // 實(shí)際指針
   size_t refs; // 引用計(jì)數(shù)
 };
 implement* _impl;
public:
 explicit shared_ptr(T* p)
   :  _impl(new implement(p)){}
 ~shared_ptr()
 {
   decrease();  // 計(jì)數(shù)遞減
 }
 shared_ptr(const shared_ptr& rhs)
   :  _impl(rhs._impl)
 {
   increase();  // 計(jì)數(shù)遞增
 }
 shared_ptr& operator=(const shared_ptr& rhs)
 {
   if (_impl != rhs._impl)  // 避免自賦值
   {
     decrease();  // 計(jì)數(shù)遞減，不再共享原對象
     _impl=rhs._impl;  // 共享新的對象
     increase();  // 計(jì)數(shù)遞增，維護(hù)正確的引用計(jì)數(shù)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，銷毀對象
     delete _impl;
   }
 }
 void increase()
 {
   ++(_impl->refs);
 }
};

這個(gè)類模板是如此的簡單，所以都不需要對代碼進(jìn)行太多地說明。這里僅僅給出一個(gè)簡單的使用實(shí)例，足以說明shared_ptr作為簡單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()函數(shù)中，先調(diào)用foo1(val)，函數(shù)中使用了一個(gè)局部對象temp，它和val共享同一份數(shù)據(jù)，并修改了實(shí)際值，函數(shù)返回后，val擁有的值同樣也發(fā)生了變化，而實(shí)際上val本身并沒有修改過。

然后調(diào)用了foo2(val)，函數(shù)中使用了一個(gè)無名的臨時(shí)對象創(chuàng)建了一個(gè)新值，使用賦值表達(dá)式修改了val，同時(shí)val和臨時(shí)對象擁有同一個(gè)值，函數(shù)返回時(shí)，val仍然擁有這正確的值。

最后，在整個(gè)過程中，除了在使用shared_ptr 的構(gòu)造函數(shù)時(shí)使用了new表達(dá)式創(chuàng)建新之外，并沒有任何刪除指針的動作，但是所有的內(nèi)存管理均正確無誤，這就是得益于shared_ptr的精巧的設(shè)計(jì)。

擁有了auto_ptr和shared_ptr兩大利器以后，應(yīng)該足以應(yīng)付大多數(shù)情況下的垃圾回收了，如果你需要更復(fù)雜語義(主要是指復(fù)制時(shí)的語義)的智能指針，可以參考boost的源代碼，其中設(shè)計(jì)了多種類型的智能指針。

標(biāo)準(zhǔn)容器

對于需要在程序中擁有相同類型的多個(gè)對象，善用標(biāo)準(zhǔn)庫提供的各種容器類，可以最大限度的杜絕顯式的內(nèi)存管理，然而標(biāo)準(zhǔn)容器并不適用于儲存指針，這樣對于多態(tài)性的支持仍然面臨困境。

使用智能指針作為容器的元素類型，然而標(biāo)準(zhǔn)容器和算法大多數(shù)需要值復(fù)制語義的元素，前面介紹的轉(zhuǎn)移所有權(quán)的auto_ptr和自制的共享對象的shared_ptr都不能提供正確的值復(fù)制語義，Herb Sutter在《More Execptional C++》中設(shè)計(jì)了一個(gè)具有完全復(fù)制語義的智能指針ValuePtr，解決了指針用于標(biāo)準(zhǔn)容器的問題。

然而，多態(tài)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(tài)對象的問題。

語言支持

為什么不在C++語言中增加對垃圾回收的支持？

根據(jù)前面的討論，我們可以看見，不同的應(yīng)用環(huán)境，也許需要不同的垃圾回收器，不管三七二十一使用垃圾回收，需要將這些不同類型的垃圾回收器整合在一起，即使可以成功(對此我感到懷疑)，也會導(dǎo)致效率成本的增加。

這違反了C++的設(shè)計(jì)哲學(xué)，“不為不必要的功能支付代價(jià)”，強(qiáng)迫用戶接受垃圾回收的代價(jià)并不可取。

相反，按需選擇你自己需要的垃圾回收器，需要掌握的規(guī)則與顯式的管理內(nèi)存相比，簡單的多，也不容易出錯(cuò)。

最關(guān)鍵的一點(diǎn)， C++并不是“傻瓜型”的編程語言，他青睞喜歡和善于思考的編程者，設(shè)計(jì)一個(gè)合適自己需要的垃圾回收器，正是對喜愛C++的程序員的一種挑戰(zhàn)。