在 C++ 中实现一个轻量的标记清除 gc 系统

最近想把 engine 做一个简单 C++ 封装，结合 QT 使用。engine 本身是用纯 C 实现的，大部分应用基于 lua 开发。对对象生命期管理也依赖 lua 的 gc 系统。关于这部分的设计，可以参考我以前写的一篇 为 lua 封装 C 对象的生存期管理问题 。

当我们把中间层搬到 C++ 中时，遇到的问题之一就是，C++ 没有原生的 gc 支持。我也曾经写过一个 gc 库。但在特定应用下还不够简洁。这几天过年休息，仔细考虑了一下相关的需求，尝试实现了一个更简单的 gc 框架。不到 200 行代码吧，我直接列在这篇 blog 里。

这些尚是一些玩具代码，我花了一天时间来写。有许多考虑不周的地方，以及不完整的功能。但可以阐明一些基本思路。

首先我需要一个标记清除的 gc 系统，用来解决引用记数不容易解决的循环引用问题。它的实现不想比引用记数复杂太多，并有相同甚至更高的性能。

我不想使用复杂的 template 技术，利用太多的语法糖让使用看起来简单。如果需要让这些 C++ 代码看起来更现代，更有“品味”，我想也不是很难的事情。

接口和实现希望尽量分离，对用的人少暴露细节。但不拘泥于教条，强求做成类似 COM 那样的通用 ABI 。还是尽量利用 C++ 语言本身提供的机制，不滥用。

使用尽量简单，不要让使用人员有太大负担。

功能满足最低需求即可。代码容易阅读，使用人员可以很快理解原理，不至于误用。也方便日后扩展以适应新的需求。

代码如下：（可打包下载）

/*

*  filename:  i_gcobject.h

*  Copyright (c) 2010 ,

*      Cloud Wu . All rights reserved.

*

*      http://www.codingnow.com

*

*  Use, modification and distribution are subject to the "New BSD License"

*  as listed at <url: http://www.opensource.org/licenses/bsd-license.php >.

*/

#ifndef interfacce_gcobject_h

#define interfacce_gcobject_h

#define interface struct

interface i_gcobject {

virtual ~i_gcobject() {}

virtual void touch() {}

virtual void mark() = 0 ;

virtual void grab() = 0 ;

virtual void release() = 0 ;

static void collect();

};

#endif

所有支持 gc 管理的接口都继承至 i_gcobject ，提供三个方法，

1.    mark 可以把这个对象打上标记，被标记的对象将不会被 collect 回收。

2.    grab 将对象挂接到一个被称呼为 root 的特殊 gcobject 上。

3.    release 将对象从 root 上取掉。

另提供 touch 的模板方法供 mark 回调，用来标记同一对象中的不同部分。

mark 方法一般在 touch 方法中使用，另外，collect 方法将主动调用 root 的 mark 。

/*

*  filename:  i_gcholder.h

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*  Use, modification and distribution are subject to the "New BSD License"

*  as listed at <url: http://www.opensource.org/licenses/bsd-license.php >.

*/

#ifndef interfacce_gcholder_h

#define interfacce_gcholder_h

#include "i_gcobject.h"

interface i_gcholder : virtual i_gcobject {

virtual void hold(i_gcobject *) = 0;

virtual void unhold(i_gcobject *) = 0;

static i_gcholder * create();

};

#endif

i_gcholder 为 root 的接口，提供 hold 和 unhold 方法来挂接需要持久保留的 gcobject 。

/*

*  filename:  gcobject.h

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*      http://www.codingnow.com

*

*  Use, modification and distribution are subject to the "New BSD License"

*  as listed at <url: http://www.opensource.org/licenses/bsd-license.php >.

*/

#ifndef gc_object_h

#define gc_object_h

#include "i_gcobject.h"

class gcobject : virtual i_gcobject {

bool marked;

public:

gcobject();

virtual void mark();

virtual void grab();

virtual void release();

struct f_unmarked;

};

#endif

/*

*  filename:  gcobject.cpp

*  Copyright (c) 2010 ,

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*

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*

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*/

#include "gcobject.h"

#include "i_gcholder.h"

#include <vector>

#include <algorithm>

static bool gc_trigger;

static std::vector<gcobject *> gc_pool;

static i_gcholder * gc_root = i_gcholder::create();

struct gcobject::f_unmarked {

bool operator() (gcobject * value) {

bool unmarked = value->marked != gc_trigger;

if (unmarked) {

delete value;

}

return unmarked;

}

};

gcobject::gcobject() : marked(!gc_trigger)

{

gc_pool.push_back(this);

}

void

gcobject::mark()

{

if (marked != gc_trigger) {

marked = gc_trigger;

touch();

}

}

void

gcobject::grab()

{

gc_root->hold(this);

}

void

gcobject::release()

{

gc_root->unhold(this);

}

void

i_gcobject::collect()

{

gc_root->mark();

gc_pool.erase(remove_if(gc_pool.begin(), gc_pool.end() , gcobject::f_unmarked()), gc_pool.end());

gc_trigger = !gc_trigger;

}

gcobject 为具体的 gc 实现，实现了 mark 、grab、release 和 collect 方法。

1.    mark 采用的直接向一 bool 变量设置标记。这个标记利用了 trigger 这个乒乓开关，每次 collect 都会切换状态。

2.    grab 和 release 可以把对象挂接到 root 上，或从上取掉。

3.    collect 会主动从 root 开始 mark ，并释放那些没有 mark 的对象。

/*

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*/

#include "i_gcholder.h"

#include "gcobject.h"

#include <vector>

#include <algorithm>

#include <cassert>

class gcholder : public virtual i_gcholder, virtual gcobject {

std::vector<i_gcobject *> hold_set;

std::vector<i_gcobject *> unhold_set;

bool set_changed;

bool hold_set_sorted;

bool unhold_set_sorted;

void combine_set();

virtual void touch();

virtual void hold(i_gcobject *obj) {

hold_set.push_back(obj);

hold_set_sorted = false;

set_changed = true;

}

virtual void unhold(i_gcobject *obj) {

unhold_set.push_back(obj);

unhold_set_sorted = false;

set_changed = true;

}

struct f_mark {

void operator() (i_gcobject *obj) {

obj->mark();

}

};

public:

gcholder() :

set_changed(false),

hold_set_sorted(true) ,

unhold_set_sorted(true) {}

};

void

gcholder::combine_set()

{

if (!hold_set_sorted) {

std::sort(hold_set.begin(),hold_set.end());

hold_set_sorted = true;

}

if (!unhold_set_sorted) {

std::sort(unhold_set.begin(),unhold_set.end());

unhold_set_sorted = true;

}

if (!unhold_set.empty()) {

std::vector<i_gcobject *>::iterator iter1 = hold_set.begin();

std::vector<i_gcobject *>::iterator iter2 = unhold_set.begin();

while (iter1 != hold_set.end() && iter2 != unhold_set.end()) {

if (*iter1 == *iter2) {

*iter1 = NULL;

++iter1;

++iter2;

}

else {

assert(*iter1 < *iter2);

++iter1;

}

}

i_gcobject * null = NULL;

hold_set.erase(std::remove(hold_set.begin(),hold_set.end(),null) , hold_set.end());

unhold_set.clear();

}

}

void

gcholder::touch()

{

if (set_changed) {

combine_set();

set_changed = false;

}

std::for_each(hold_set.begin(), hold_set.end(), f_mark());

}

i_gcholder *

i_gcholder::create()

{

return new gcholder;

}

gcholder 理论上可以有多个实例，并相互挂接。（否则不需要继承至 i_gcobject ）这个设计可以用来模拟多级的堆栈。但实际上并不需要这么复杂。因为在大部分应用里，如果你的程序有一个周期性的主循环，就可以不在 gc 系统里模拟出一个多级的堆栈。我们只用在循环之外做 collect 即可。再堆栈调用的较深层次触发 collect 反而效果不佳，会导致许多临时 gc 对象无法回收。

最后来看一个玩具代码，用 stl 里的 mutliset 实现了一个简单的树接口。可能没有什么使用价值，但它演示了一个较复杂的对象相互引用的关系。并可以展示 gc 如何正确工作。

/*

*  filename:  test.cpp

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*

*      http://www.codingnow.com

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*  Use, modification and distribution are subject to the "New BSD License"

*  as listed at <url: http://www.opensource.org/licenses/bsd-license.php >.

*/

#include "gcobject.h"

#include <cstdio>

#include <set>

#include <algorithm>

interface i_tree : virtual i_gcobject {

virtual void link(i_tree *p) = 0;

static i_tree * create();

};

class tree : public virtual i_tree , virtual gcobject {

tree *parent;

std::multiset<tree *> children;

struct f_mark {

void operator() (tree *node) {

node->mark();

}

};

virtual void touch() {

if (parent)

parent->mark();

std::for_each(children.begin(), children.end(), f_mark());

}

void unlink();

virtual void link(i_tree *parent);

public:

tree() : parent(NULL) {

printf("create node %p\n",this);

}

~tree() {

printf("release node %p\n",this);

}

};

void

tree::unlink()

{

if (parent) {

parent->children.erase(this);

parent = NULL;

}

}

void

tree::link(i_tree *p)

{

unlink();

if (p) {

tree * cp = dynamic_cast<tree *>(p);

cp->children.insert(this);

parent = cp;

}

}

i_tree *

i_tree::create()

{

return new tree;

}

int

main()

{

i_tree *root = i_tree::create();

root->grab();

i_tree *node;

node = i_tree::create();

node->link(root);

node = i_tree::create();

node->link(root);

i_gcobject::collect();

printf("collected\n");

node->link(NULL);

i_gcobject::collect();

printf("finalize\n");

root->release();

i_gcobject::collect();

return 0;

}

我们在实现一个基于 gc 的对象时，可以先定义出需要的接口，让接口从 i_gcobject 继承。例如上例中的 i_tree 。

然后在实现这个接口时，可以虚继承 gcobject 。例如上例中的 tree 。

如果有需要，就重载 touch 方法，在 touch 方法中 mark 相关的 gcobject 。对于 tree 这个例子，就是调用父亲和孩子节点的 mark 。

对象依然可以写析构函数，相当于对象的 finalize 。在析构函数中，不要再释放和它相关的 gcobject ，那些留给 gc 系统去完成。（例如在 tree 里，就不要在 ~tree 中 delete children 容器中的变量，也不需要把自己从父亲节点上摘掉）

如果仅仅只是使用那些接口，则不需要再包含 gcobject.h ，因为 gcobject 的细节只供实现 i_gcobject 时使用。

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