《C++面向对象高效编程（第2版）》——4.2 无用单元收集问题

本节书摘来自异步社区出版社《c++面向对象高效编程（第2版）》一书中的第4章，第4.2节，作者： 【美】kayshav dattatri，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

c++面向对象高效编程（第2版）

在我们讨论无用单元收集1（garbage collection）之前，先了解一下何为无用单元（garbage），何为悬挂引用（dangling reference）。

所谓无用单元（garbage），是一块存储区（或资源），该存储区虽然是程序（或进程）的一部分，但是在程序中却不可再对其引用。按照c++的规定，我们可以说，无用单元是程序中没有指针指向的某些资源。以下是一个示例：

main()

{

　　　char *p;

　　　char *q;

　　　p = new char[1024]; // 分配1k字符的动态数组

　　　// ... 使用它

　　　q = p;　　// 指针别名（pointer aliasing）

　　　delete [] p;

　　　p = 0;

　　　// 现在q是一个悬挂引用，如果试图 *q = ‘a’，将导致程序崩溃。

}<code>`</code>

如果试图访问q所指向的内存，将引发严重的问题。在该例中，指针q称为悬挂引用。指针别名（即多个指针持有相同的地址）通常会导致悬挂引用。与无用单元相比，悬挂引用对于程序而言是致命的，因为它必定导致严重破坏（大多数可能是运行时崩溃）。

这两个问题（无用单元和悬挂引用）都是操纵指针和指针别名直接导致的结果。由于程序员复制了地址，但尚未理解复制地址的语义（和后果），才引发了这些问题。这不是oop才有的新问题，但oop让这些问题的影响更加严重。

smalltalk:

一些语言提供自动的无用单元收集。在smalltalk环境下工作的程序员根本无需担心无用单元，因为无用单元收集在smalltalk中是自动进行的。语言会跟踪对内存的引用，当不再引用某块内存时，语言便自动释放它们。

eiffel:

eiffel以辅助程序的形式提供自动的无用单元收集，该程序定期在后台运行，用于收集所有不可再访问的单元。

c++:

c++不提供自动的无用单元收集机制。它支持所有类型的指针变量。这就把无用单元收集的重任留给了程序员。一般而言，这是存储区管理的问题。在c++中，无用单元收集是一个研究课题。也许在不久的将来，c++也会有自动的无用单元收集。

由此可见，只要不让程序员创建持有内存区域地址的指针类型，几乎就可以避免悬挂引用的问题。在eiffel、smalltalk和java中就是这种的情况。

你可能觉得奇怪，无用单元收集和悬挂引用在其他类型的编程中也会出现，为何要将这两个问题作为oop中的特殊问题？请继续往下读。在面向过程编程系统中，没有对象的概念，也不会频繁地进行内存分配（和释放）。然而，在oop中，一切皆为对象，而且绝大多数大型对象都要分配资源。在我们感兴趣的面向对象系统中，时刻都有成百上千的对象，对象不断地被创建、复制和销毁。而且，可以按不同的方式，甚至动态地创建对象。因此，作为类的实现者，不仅要充分理解无用单元收集问题，还要额外注意存储区的管理。

语言（自动或程序员实现）支持的无用单元收集类型，和语言本身的设计原理有较大的关系。提供自动无用单元收集的语言（如eiffel和smalltalk），实际上是基于引用的语言。在基于引用的语言中，每个对象只是一个引用。当创建对象时，事实上是创建了一个引用，该引用持有真正对象的地址，此地址被保存在别处。这使得复制和共享对象非常容易和迅速。但是，另一方面，这也导致安全性较低。因为通过使用对象的引用，可能会意外地修改该对象。

然而，c++是一种基于值的语言（c也是）。在该语言中，一切（对象和基本类型）皆为值。每个对象都是一个真正的对象，不是一个指向储存在别处的对象的指针。c++对待类和基本类型一样，这是该语言中的统一模型。

eiffel使用双重方案。在eiffel中，所有对象都基于引用，但所有基本类型都基于值。新对象获得自己所有基本实例变量的副本，但是，在新对象中只能包含对对象的引用。在其他地方也提到，引用要么是void，要么是一个对有效对象的引用。

另外，smalltalk对待对象和基本类型一致。在该语言中，一切皆为对象，所有的基本类型也是对象。这使得语言易于理解，无需区分对象和基本类型的不同。

以下的示例说明了多种语言间的不同。回顾tcar类的例子：