C++中的废料收集

Java的爱好者们经常批评C++中没有提供与Java类似的废料收集(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提供的废料收集机制的天生缺陷，而是指出了C++中引入废料收集的可行性。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。

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。

某些语言提供了废料收集机制，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++，使它不依赖于自动废料收集(通常就直接说废料收集)。这是基于自己对废料收集系统的经验，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废料收集系统而带来的复杂性。还有，废料收集将使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。但我喜欢废料收集的思想，它是一种机制，能够简化设计、排除掉许多产生错误的根源。

需要废料收集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。而反对废料收集的理由也有很多，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：每个应用在有了废料收集之后会做的更好些。类似的，也有充分的论据可以反对：没有应用可能因为有了废料收集而做得更好。

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，而不需要废料收集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，废料收集都是需要的。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废料收集系统之上的负担。”

以我之见，统一的自动废料收集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废料收集器，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++没有废料收集以及可能的在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废料收集系统，可以按照需要自由选用，而不影响其他代码。

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。

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