《C++面向對象高效程式設計（第2版）》——4.2 無用單元收集問題

本節書摘來自異步社群出版社《c++面向對象高效程式設計（第2版）》一書中的第4章，第4.2節，作者： 【美】kayshav dattatri，更多章節内容可以通路雲栖社群“異步社群”公衆号檢視。

c++面向對象高效程式設計（第2版）

在我們讨論無用單元收集1（garbage collection）之前，先了解一下何為無用單元（garbage），何為懸挂引用（dangling reference）。

所謂無用單元（garbage），是一塊存儲區（或資源），該存儲區雖然是程式（或程序）的一部分，但是在程式中卻不可再對其引用。按照c++的規定，我們可以說，無用單元是程式中沒有指針指向的某些資源。以下是一個示例：

main()

{

　　　char *p;

　　　char *q;

　　　p = new char[1024]; // 配置設定1k字元的動态數組

　　　// ... 使用它

　　　q = p;　　// 指針别名（pointer aliasing）

　　　delete [] p;

　　　p = 0;

　　　// 現在q是一個懸挂引用，如果試圖 *q = ‘a’，将導緻程式崩潰。

}<code>`</code>

如果試圖通路q所指向的記憶體，将引發嚴重的問題。在該例中，指針q稱為懸挂引用。指針别名（即多個指針持有相同的位址）通常會導緻懸挂引用。與無用單元相比，懸挂引用對于程式而言是緻命的，因為它必定導緻嚴重破壞（大多數可能是運作時崩潰）。

這兩個問題（無用單元和懸挂引用）都是操縱指針和指針别名直接導緻的結果。由于程式員複制了位址，但尚未了解複制位址的語義（和後果），才引發了這些問題。這不是oop才有的新問題，但oop讓這些問題的影響更加嚴重。

smalltalk:

一些語言提供自動的無用單元收集。在smalltalk環境下工作的程式員根本無需擔心無用單元，因為無用單元收集在smalltalk中是自動進行的。語言會跟蹤對記憶體的引用，當不再引用某塊記憶體時，語言便自動釋放它們。

eiffel:

eiffel以輔助程式的形式提供自動的無用單元收集，該程式定期在背景運作，用于收集所有不可再通路的單元。

c++:

c++不提供自動的無用單元收集機制。它支援所有類型的指針變量。這就把無用單元收集的重任留給了程式員。一般而言，這是存儲區管理的問題。在c++中，無用單元收集是一個研究課題。也許在不久的将來，c++也會有自動的無用單元收集。

由此可見，隻要不讓程式員建立持有記憶體區域位址的指針類型，幾乎就可以避免懸挂引用的問題。在eiffel、smalltalk和java中就是這種的情況。

你可能覺得奇怪，無用單元收集和懸挂引用在其他類型的程式設計中也會出現，為何要将這兩個問題作為oop中的特殊問題？請繼續往下讀。在面向過程程式設計系統中，沒有對象的概念，也不會頻繁地進行記憶體配置設定（和釋放）。然而，在oop中，一切皆為對象，而且絕大多數大型對象都要配置設定資源。在我們感興趣的面向對象系統中，時刻都有成百上千的對象，對象不斷地被建立、複制和銷毀。而且，可以按不同的方式，甚至動态地建立對象。是以，作為類的實作者，不僅要充分了解無用單元收集問題，還要額外注意存儲區的管理。

語言（自動或程式員實作）支援的無用單元收集類型，和語言本身的設計原理有較大的關系。提供自動無用單元收集的語言（如eiffel和smalltalk），實際上是基于引用的語言。在基于引用的語言中，每個對象隻是一個引用。當建立對象時，事實上是建立了一個引用，該引用持有真正對象的位址，此位址被儲存在别處。這使得複制和共享對象非常容易和迅速。但是，另一方面，這也導緻安全性較低。因為通過使用對象的引用，可能會意外地修改該對象。

然而，c++是一種基于值的語言（c也是）。在該語言中，一切（對象和基本類型）皆為值。每個對象都是一個真正的對象，不是一個指向儲存在别處的對象的指針。c++對待類和基本類型一樣，這是該語言中的統一模型。

eiffel使用雙重方案。在eiffel中，所有對象都基于引用，但所有基本類型都基于值。新對象獲得自己所有基本執行個體變量的副本，但是，在新對象中隻能包含對對象的引用。在其他地方也提到，引用要麼是void，要麼是一個對有效對象的引用。

另外，smalltalk對待對象和基本類型一緻。在該語言中，一切皆為對象，所有的基本類型也是對象。這使得語言易于了解，無需區分對象和基本類型的不同。

以下的示例說明了多種語言間的不同。回顧tcar類的例子：