C#與C++資源管理方式對陣 GC對比RAII
資源管理
在C語言中，資源管理是一個極為繁瑣易錯的工作，大多復(fù)雜的C系統(tǒng)都面臨著內(nèi)存泄露、懸掛指針等問題。這是一方面是由底層語言的特點(diǎn)決定；另一方面也是由于C語言特性相對較少，嚴(yán)重依賴程序員進(jìn)行正確的資源管理，缺乏有效的支持手段。
C#和C++兩門語言的定位不同，它們在資源管理方面采取了兩種截然不同的方式：一為GC，一為RAII。GC讓程序建立在更高的抽象層次上，使資源管理變得更方便，更安全；而RAII則保留了C的底層能力，同時在C++特性的支持下提供了簡單有效的資源管理方式。我們知道C++最激烈的批評往往來自于C社區(qū)，而在我看來C程序員可以不接受虛函數(shù)，不接受模板，但有什么理由不接受RAII呢？可以說RAII是C++相對C來說幾乎無副作用的明顯進(jìn)步。
下面就從GC開始：
引用代替指針
C#通過CLR管理托管內(nèi)存，用引用抽象代替指針間接操作托管內(nèi)存，讓程序員在更高的層次上安全地使用資源。這使得C#失去了直接管理內(nèi)存的能力，但換來了以下好處：
1.類型安全：在C/C++中可以通過類型轉(zhuǎn)換把整數(shù)或其他類型的指針轉(zhuǎn)換為特定類型的指針，這意味著指針是非類型安全的，必須由程序員來保證指針代表的內(nèi)存空間的合法性。而C#引用可以看作是類型安全的指針，as運(yùn)算符可以保證轉(zhuǎn)換的類型安全性。
2.內(nèi)存整理：創(chuàng)建對象需要從堆中動態(tài)分配連續(xù)的內(nèi)存空間，由于不同對象的內(nèi)存大小是不同的，常見的首次匹配和最優(yōu)匹配堆分配算法都會造成堆中的內(nèi)存碎片問題。碎片的存在使實(shí)際可用內(nèi)存小于物理內(nèi)存，所以應(yīng)盡量減少碎片的產(chǎn)生。一個方向是設(shè)計更好的內(nèi)存分配算法；另一個方向是通過周期性地進(jìn)行內(nèi)存整理調(diào)整優(yōu)化。在C/C++中，由于指針代表了絕對地址，因此不存在通用的內(nèi)存整理算法；而C#屏蔽了指針，通過引用操作對象，就使得內(nèi)存整理成為可能。PS：這并不意味著C/C++內(nèi)存分配就弱于C#，C/C++程序可以為某種類型的對象設(shè)計專用的內(nèi)存分配方式，甚至把對象指定分配到某一物理地址空間，這些都是C#不具備的。
托管和非托管資源
在C#中，資源分為托管資源和非托管資源兩種。GC在回收無用對象資源時，可以自動回收托管資源（比如托管內(nèi)存），但對于非托管資源（比如Socket、文件、數(shù)據(jù)庫連接）必須在程序中顯式釋放。
托管資源的回收首先需要GC識別無用對象，然后回收其資源。一般無用對象是指通過當(dāng)前的系統(tǒng)根對象和調(diào)用堆棧對象不可達(dá)的對象。對象有一個重要的特點(diǎn)導(dǎo)致無用對象判斷的復(fù)雜性：對象間的相互引用！如果沒有相互引用，就可以通過“引用計數(shù)”這種簡單高效的方式實(shí)現(xiàn)無用對象的判斷，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時回收。正是由于相互引用的存在導(dǎo)致GC需要設(shè)計更為復(fù)雜的算法，這樣帶來的最大問題在于喪失了資源回收的實(shí)時性，而變成一種不確定的方式。
對于非托管資源的釋放，C#提供了兩種方式：
1.Finalizer：寫法貌似C++的析構(gòu)函數(shù)，本質(zhì)上卻相差甚遠(yuǎn)。Finalizer是對象被GC回收之前調(diào)用的終結(jié)器，初衷是在這里釋放非托管資源，但由于GC運(yùn)行時機(jī)的不確定性，通常會導(dǎo)致非托管資源釋放不及時。另外，F(xiàn)inalizer可能還會有意想不到的副作用，比如：被回收的對象已經(jīng)沒有被其他可用對象所引用，但Finalizer內(nèi)部卻把它重新變成可用，這就破壞了GC垃圾收集過程的原子性，增大了GC開銷。
2.Dispose Pattern：C#提供using關(guān)鍵字支持Dispose Pattern進(jìn)行資源釋放。這樣能通過確定的方式釋放非托管資源，而且using結(jié)構(gòu)提供了異常安全性。所以，一般建議采用Dispose Pattern，并在Finalizer中輔以檢查，如果忘記顯式Dispose對象則在Finalizer中釋放資源。
可以說，GC為程序帶來安全方便的同時也付出了不小的代價：一則喪失了托管資源回收的實(shí)時性，這在實(shí)時系統(tǒng)和資源受限系統(tǒng)中是致命的；二則沒有把托管資源和非托管資源的管理統(tǒng)一起來，造成概念割裂。C++的定位之一是底層開發(fā)能力，所以不難理解GC并沒有成為C++的語言特性。雖然我們在C++0x和各種第三方庫都能看到GC的身影，但GC對于C++來講并不是那么重要，至多是一個有益的補(bǔ)充。C++足以傲視C，并和C# GC一較高下的是它的RAII。
棧語義
在介紹RAII之前，讓我們先來看一道C++面試題：“重構(gòu)下面的代碼，在保證正確釋放資源的情況下，去掉多余的try catch”
- //C++
- void f(){
- try{
- int *ptr = new int(123);
- …//do something with ptr
- delete ptr;
- }
- catch {
- delete ptr;
- }
- }
代碼中new int在堆上分配內(nèi)存，并通過delete小心翼翼地釋放內(nèi)存。這是典型的C風(fēng)格的C++代碼，雖然用了try、catch等高級語法，但資源管理方式依舊是C。按C++特有的方式可以重構(gòu)成這樣：
- //C++資源管理方式
- //定義資源代理類模板
- template
- class Resource{
- public:
- Resource(T *ptr) { this->ptr = ptr;} //構(gòu)造函數(shù)中初始化資源
- ~Resource() { delete ptr; } //析構(gòu)函數(shù)中釋放資源
- T& operator*() { return *ptr; } //重載*運(yùn)算符
- T* operator->() { return ptr; } //重載->運(yùn)算符
- //…省略了拷貝構(gòu)造函數(shù)和賦值運(yùn)算符等
- private:
- T* ptr;
- };
- void f(){
- Resource r(new int(123));
- //do something with r
- }
f函數(shù)中，我們在棧上創(chuàng)建了一個資源模板類Resource的對象r，并通過r來提供服務(wù)。只是這么簡單的一包裝，就省掉了繁瑣易錯的try，catch，不管f內(nèi)部出什么問題，拋什么異常，都能保證r所管理的內(nèi)存資源最終被正確釋放。C++保證一旦離開詞法作用域，在任何情況下都會調(diào)用棧上對象的析構(gòu)函數(shù)，這就是所謂的“棧語義”（stack semantics）。事實(shí)上，STL已經(jīng)有auto_ptr這個智能指針類模板，其實(shí)現(xiàn)和上面的Resource類模板類似。
RAII
RAII是resource acquisition is initialization的縮寫，意為“資源獲取即初始化”。它是C++之父Bjarne Stroustrup提出的設(shè)計理念，其核心是把資源和對象的生命周期綁定，對象創(chuàng)建獲取資源，對象銷毀釋放資源。在RAII的指導(dǎo)下，C++把底層的資源管理問題提升到了對象生命周期管理的更高層次。上面的例子，我們把new所獲取的內(nèi)存塊視為資源，把r對象視為資源的代理對象，r應(yīng)負(fù)責(zé)資源的獲取和釋放。在棧語義和操作符重載的支持下，C++的RAII體現(xiàn)出了簡潔、安全、實(shí)時的特點(diǎn)：
1.概念簡潔性：讓資源（包括內(nèi)存和非內(nèi)存資源）和對象的生命周期綁定，資源類的設(shè)計者只需用在類定義內(nèi)部處理資源問題，提高了程序的可維護(hù)性
2.類型安全性：通過資源代理對象包裝資源（指針變量），并利用運(yùn)算符重載提供指針運(yùn)算方便使用，但對外暴露類型安全的接口
3.異常安全性：棧語義保證對象析構(gòu)函數(shù)的調(diào)用，提高了程序的健壯性
4.釋放實(shí)時性：和GC相比，RAII達(dá)到了和手動釋放資源一樣的實(shí)時性，因此可以承擔(dān)底層開發(fā)的重任
也許你還在驚訝RAII如此簡單的時候，關(guān)于RAII的主要內(nèi)容已經(jīng)介紹完了。簡單不意味著簡陋，在我看來RAII雖然不像GC一樣，是一套具體的機(jī)制，但它蘊(yùn)含的對象與資源關(guān)系的哲學(xué)深度的理解卻使得我對Bjarne Stroustrup肅然起敬！
最后，不得不提醒RAII的理念固然簡單，不過在具體實(shí)現(xiàn)的時候仍有需要小心的地方。比如對于STL的auto_ptr，可以視為資源的代理對象，auto_ptr對象間的賦值是一個需要特別注意的地方。簡單說來資源代理對象間賦值的語義不滿足“賦值相等”，其語義是資源管理權(quán)的轉(zhuǎn)移。
什么是“賦值相等”呢？比如：
int a;
int b = 10;
a = b; //這句話執(zhí)行后 a == b
但對于資源代理對象，這是不滿足的，比如：
auto_ptr
auto_ptr
a = b; //這句話執(zhí)行后a != b，賦值的語義是b把資源的管理權(quán)交給了a
C#與C++資源管理方式對陣總結(jié)
對比介紹了C#和C++資源管理方式：GC和RAII。
本文來自Todd Wei的博客園文章《C# vs C++之二：GC vs RAII 》
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