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，大多復雜的C系統都面臨著內存泄露、懸掛指針等問題。這是一方面是由底層語言的特點決定；另一方面也是由于C語言特性相對較少，嚴重依賴程序員進行正確的資源管理，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，而在我看來C程序員可以不接受虛函數，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步。
下面就從GC開始：
引用代替指針
C#通過CLR管理托管內存，用引用抽象代替指針間接操作托管內存，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++中可以通過類型轉換把整數或其他類型的指針轉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運算符可以保證轉換的類型安全性。
2.內存整理：創建對象需要從堆中動態分配連續的內存空間，由于不同對象的內存大小是不同的，常見的首次匹配和最優匹配堆分配算法都會造成堆中的內存碎片問題。碎片的存在使實際可用內存小于物理內存，所以應盡量減少碎片的產生。一個方向是設計更好的內存分配算法；另一個方向是通過周期性地進行內存整理調整優化。在C/C++中，由于指針代表了絕對地址，因此不存在通用的內存整理算法；而C#屏蔽了指針，通過引用操作對象，就使得內存整理成為可能。PS：這并不意味著C/C++內存分配就弱于C#，C/C++程序可以為某種類型的對象設計專用的內存分配方式，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（比如托管內存），但對于非托管資源（比如Socket、文件、數據庫連接）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前的系統根對象和調用堆棧對象不可達的對象。對象有一個重要的特點導致無用對象判斷的復雜性：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”這種簡單高效的方式實現無用對象的判斷，并實現實時回收。正是由于相互引用的存在導致GC需要設計更為復雜的算法，這樣帶來的最大問題在于喪失了資源回收的實時性，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++的析構函數，本質上卻相差甚遠。Finalizer是對象被GC回收之前調用的終結器，初衷是在這里釋放非托管資源，但由于GC運行時機的不確定性，通常會導致非托管資源釋放不及時。另外，Finalizer可能還會有意想不到的副作用，比如：被回收的對象已經沒有被其他可用對象所引用，但Finalizer內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關鍵字支持Dispose Pattern進行資源釋放。這樣能通過確定的方式釋放非托管資源，而且using結構提供了異常安全性。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時性，這在實時系統和資源受限系統中是致命的；二則沒有把托管資源和非托管資源的管理統一起來，造成概念割裂。C++的定位之一是底層開發能力，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在堆上分配內存，并通過delete小心翼翼地釋放內存。這是典型的C風格的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;} //構造函數中初始化資源
- ~Resource() { delete ptr; } //析構函數中釋放資源
- T& operator*() { return *ptr; } //重載*運算符
- T* operator->() { return ptr; } //重載->運算符
- //…省略了拷貝構造函數和賦值運算符等
- private:
- T* ptr;
- };
- void f(){
- Resource r(new int(123));
- //do something with r
- }
f函數中，我們在棧上創建了一個資源模板類Resource的對象r，并通過r來提供服務。只是這么簡單的一包裝，就省掉了繁瑣易錯的try，catch，不管f內部出什么問題，拋什么異常，都能保證r所管理的內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用棧上對象的析構函數，這就是所謂的“棧語義”（stack semantics）。事實上，STL已經有auto_ptr這個智能指針類模板，其實現和上面的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提出的設計理念，其核心是把資源和對象的生命周期綁定，對象創建獲取資源，對象銷毀釋放資源。在RAII的指導下，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所獲取的內存塊視為資源，把r對象視為資源的代理對象，r應負責資源的獲取和釋放。在棧語義和操作符重載的支持下，C++的RAII體現出了簡潔、安全、實時的特點：
1.概念簡潔性：讓資源（包括內存和非內存資源）和對象的生命周期綁定，資源類的設計者只需用在類定義內部處理資源問題，提高了程序的可維護性
2.類型安全性：通過資源代理對象包裝資源（指針變量），并利用運算符重載提供指針運算方便使用，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函數的調用，提高了程序的健壯性
4.釋放實時性：和GC相比，RAII達到了和手動釋放資源一樣的實時性，因此可以承擔底層開發的重任
也許你還在驚訝RAII如此簡單的時候，關于RAII的主要內容已經介紹完了。簡單不意味著簡陋，在我看來RAII雖然不像GC一樣，是一套具體的機制，但它蘊含的對象與資源關系的哲學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，不過在具體實現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的轉移。
什么是“賦值相等”呢？比如：
int a;
int b = 10;
a = b; //這句話執行后 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; //這句話執行后a != b，賦值的語義是b把資源的管理權交給了a
C#與C++資源管理方式對陣總結
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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