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。
4.2 无用单元收集问题
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）。
4.2.1 无用单元
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 = new char[1000]; // 分配一个包含1000个字符的动态数组
char* q = new char[1000]; // 另一块动态内存
// 使用p和q进行一些操作的代码
p = q; // 将q赋值给p，覆盖p中的地址
/* p所指向的1000个字符的存储区会发生什么？此时，p和q指向相同的区域，
没有指针指向之前p指向的旧存储区！该储存区还在，仍然占用着空间，
但程序却不可访问（使用）该区域。这样的区域则称为无用单元。*/
}```
现在，在main()中为p分配的内存便是无用单元，因为它仍然是正在运行程序的一部分，但是，所有对它的引用都被销毁了。
无用单元不会立即对程序造成损害，但它将逐渐消耗内存，最终耗尽内存导致系统中止运行。在某些情况下，由于若干原因2，还可能导致无法停止程序。随着越来越多的无用单元被创建，系统运行得越来越慢。定期进行无用单元收集是资源回收的有效途径。当然，无用单元收集并不是毫无代价的，因为必须定期地运行（自动或手动地）一个收集所有无用单元、并将其返回自由池（free pool）中的程序。而且，不一定能收集完所有的无用单元。
###4.2.2 悬挂引用
当指针所指向的内存被删除，但程序员认为被删除内存的地址仍有效时，就会产生悬挂引用（dangling reference）。例如：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。
}`
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）。
4.2.3 无用单元收集和悬挂引用的补救
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。
4.2.4 无用单元收集和语言设计
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:
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。
Smalltalk:
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：
class TCar {
private:
unsigned _weight; // 汽车的重量，英镑
short _driveType; // 四轮驱动或两轮驱动
TPerson _owner; // 谁拥有这辆车？
// 略去其他不相关的细节
public:
TCar(const char name[], const char address[],
unsigned long ssn, unsigned long ownerBirthDate,
unsigned weight = 900, short driveType = 2 );
｝;```
为什么无用单元控制非常重要
无用单元控制在软件设计中是一个非常重要的问题，因为它会影响应用程序的整体性能。即使是不太重要的应用程序，在持续运行很长一段时间（数周甚至数月）未停止，内存泄漏也会导致严重的问题。随着越来越多的内存成为无用单元，应用程序（和整个系统）的性能逐渐降低，导致越来越多的虚拟内存分页（paging）活动。最终，由于分页文件被占满，整个系统只能暂停。
并非所有的程序都能随意暂停。暂停某些重要的应用程序任务（例如，核电站控制程序），将导致灾难性的后果。如果监视和控制反应堆的软件持续地泄漏内存，该系统最终将停止运行，这会给周围的居民带来毁灭性的灾难。
在嵌入式系统中，虽然不像大型的操作系统需要进行虚拟内存管理，但内存泄漏也会引发事故（如控制汽车燃料供给系统的电脑）。如果用于驱动燃料喷嘴的软件，由于发生内存泄漏，在汽车行驶数百公里后，停止运行会怎样？汽车会突然停在路中间，但是之前不会发出任何警告。
自动的无用单元收集方案，看上去像是解决大多数类似问题的良方，但事实并非如此。在无用单元收集程序运行时，应用程序必须暂停运行。暂停的时间可能短至几微秒，或长达数百毫秒。想象一下，照相机已对焦，准备捕捉精彩的瞬间。正当按下快门时，无用单元收集程序运行，用于拍照的软件暂停。在无用单元收集完成后，精彩动作的瞬间已经过去了，未拍到合适的图像。
编写绝不泄漏任何资源（内存、文件句柄(file handle)、网络套接字(network socket)等）的软件，应成为每个软件设计者和开发者的共同目标。
虽然我们在C++中声明了TCar类，但了解一下Eiffel、Smalltalk和C++中的对象结构也非常有趣。假设有一个TCar类的对象，对象名为Jeep，driveType = 4（即四轮驱动），重量为800磅（见图4-3）。
如图4-3所示，3种语言的模型大不相同。在C++中创建的对象，是真正的对象。因此，以下声明：
`TCar jeep(“Einstein”, “Princeton, NJ”, 618552272, “12-11-1879”, 800,4);`
将创建一个真正的对象，如图4-3所示。
Eiffel中的声明：
`jeep : TCar; - Eiffel声明`
不会创建任何新对象，它只创建一个引用。下面的语句：
`jeep.!!make; - 仍然是Eiffel代码`
图4-3
将创建一个对象，并在运行时初始化它。现在，jeep必定是对内存中某个对象的引用。
Eiffel：
在Eiffel中，通常由make操作来创建对象。一个类可以在creation关键字下声明很多这样的创建例程。和任何其他例程一样，访问控制也可应用于该例程上。!!前缀意味着创建一个新对象。如果在无!!前缀的情况下调用make，它会重置现有对象中的值。
在Smalltalk中，以下声明：
`
jeep new TCar “Smalltalk code”`
将创建一个TCar类的新对象，且所有实例变量都设置为nil。
从以上这些示例中不难发现，每种语言创建对象的方式都不同。而且，对象的表示也有所不同。
###4.2.5 在C++中何时产生无用单元
本节将详细介绍哪些操作会产生无用单元。当对象所分配的资源未释放，但该资源不可再用、不可再访问时，便产生了无用单元。很多情况下都会导致资源不可访问（或不能使用），即资源在程序的作用域内不可再用。例如：
（1）从函数退出时，在函数内部创建的所有局部变量（包括对象）以及按值传递的所有参数都不可访问。
（2）从块退出时，在块内部声明的所有局部变量（包括对象）都不可访问3。
（3）任何复杂表达式包含的临时变量，在不需要时必须全部予以销毁，否则它们将成为无用单元。
（4）任何动态分配的对象，在不需要时必须由程序员显式地销毁。
我们已经在面向过程编程中熟悉了这些情况。但是，在面向对象编程中，情况会更加复杂。因为对象不是简单的变量，其中甚至还包含其他的对象。被分配的资源作为对象的一部分，当该对象不可再用时，释放已分配的资源（包括其他对象）非常重要。这是一个递归过程，因为对象可能包含其他对象，而其他对象也可能包含另外的对象，如此以至无限多的对象。对象内部的所有其他对象所分配的资源，在不需要时必须及时予以释放。
还有一种情况也会产生无用单元，即在复制对象和给对象赋值时。我们稍后将详细讨论这个问题。
###4.2.6 对象何时获得资源
对象被创建或被客户传递时，可通过动态分配获得资源。进一步而言，在对象的生存期内，可通过该对象调用不同的方法获得资源。例如，在TPerson类中，为了储存_name中的字符，要在构造函数内分配内存。类似地，第3章中提到的TIntStack类对象，要为储存元素而分配内存。特别是提供储存机制的类（如List或Queue），在对象的生存期内，有可能根据需要随时分配资源。
对象还可能因为采用语义（第3章中讨论过）而获得资源。在这种情况下，某对象分配了资源，但是将这些资源的所有权转移给另外的对象，后者负责在不需要这些资源（或资源不可再访问）时释放它们。
1译者注：根据GB/T 11457-2006 软件工程术语国家标准，garbage collection译为“无用单元收集”，也称为“垃圾回收”。
2想象一款运行生命支持系统的软件。
3在C++中，块就是一对花括号{ }内的一系列指令，它类似一个微型函数。
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