对象的生命周期

"凡事都有定期，天下万务都有定时：生有时，死有时；"——《传道书》

对象生命周期是个很大的课题 ，本文仅是科普贴，简要地介绍了对象生命周期管理的概念，原理，方法。

对象

在程序事务中，涉及使用各种资源(内存，IO句柄，GDI等)，在面向对象方法学里，我们将资源包装成对象，对象的 构造/销毁，对应资源的申请/释放。

生命周期

我们不能一直创建对象/资源，而失去销毁的机会(资源泄露)，也不能在资源销毁后，继续访问(野指针，无效句柄)，我们需要在合适的时机释放合适的对象。

对象生命周期管理分三类，

• 手动管理
• 半自动管理 —— 编译器检查，通过库实现的智能指针等
• 全自动管理 —— GC

一些例子：

• C语言提供最基础的资源管理模型，

  • 内存分配释放，malloc, free，

  • 文件句柄分配释放

      File* f = openFile()
      ...
      closeFile(f)
    

  • 模块
    习惯上，我们通过提供API，帮助用户在模块级别上进行管理

      module_hanler* h = module_init(...);
      h.operator(...)
      module_release(h)
    

    手动管理麻烦，容易出错，调试复杂，但操作系统级别的开发，不可缺少。

• c++的对象语义提供了RAII

  • 通过构造函数，析构函数，能够完成作用域的自动化管理，

    //CFile.h
    class CFile{
        File* fh = NULL;
    public:
        CFile(char* path)
        {
            fh = openFile(path);
            ...
        }
        ~CFile()
        {
            closeFile(fh);
        }
    }
    
    //testFile.cpp
    void testFile()
    {
        CFile f("xxx.txt");
        f.print();
    }//这里自动释放
    

  • c# 提供了 Dispose接口 和 using关键字，离开作用域的对象立即回收

  RAII，一定程度上，减轻了程序员管理内存的负担，但它无法帮助解决，对象被引用，对象传递到作用域外的问题。

• (编译器自动管理)智能指针

  • 作用域 , c++/rust里的 {...}， c#的 using(...){...}

  • 裸指针：离开作用域，不会自动销毁，需要主动调用 delete obj_ptr;

  • 智能指针:

    通过编译器的魔法，我们创造出智能指针(smart_ptr)，既保留了作用域的安全性，也保留了指针灵活性
    智能指针设计到以下的概念，

  • 所有权转移: 当发生指针赋值的情况，原指针失效，如果再次使用，引发编译时错误(rust)，运行时错误(c++)
    对应c++的unique_ptr，rust对象(非实现copy trait的对象，进行所有权转移)

  • 引用计数
    一个指针被多个对象引用，当所有对象都不再持有，对象自动销毁，引用计数有时被看作是一种即时回收的GC，

    • 弱引用
      引用计数有一个问题，它解决不了在循环引用的情况，这样整个引用链里的所有对象都不能正确回收，弱引用，可以将循环链在合适的地方断掉。
      弱引用，相当于handler, 用在不需要主动持有对象的情况，需要去判断handler是否有效，
      例如对象池的cahce管理()，pubisher-subscripter模式中(订阅对象于发布对象的引用);
      需要留意的是，在完整GC的语言里，弱引用也常为使用[1]

  c++提供了, uniq_ptr, shart_ptr, weak_ptr, 对应以上的概念，但还面临线程安全问题
  rust 提供了更多的智能指针类型，和检查机制，能够处理包括，所有权转移后不可再用, 线程间资源竞争之类的问题

• 垃圾回收

  垃圾回收来自于这样的想法，程序员无需关心对象如何回收，由运行时系统解决。

  原理：
  已创建对象 - 环境栈上的对象 - 所有可到达对象 = 垃圾对象

  标记-清除 算法：

  1. 所有对象初始标记 不可回收
  2. 资源使用到达阈值-> 翻转不可回收标记为可回收标记，
  3. 栈对象加入可访问对象集，
  4. 个可访问对象的引用成员，加入可访问对象集，并标记不可回收，递归至所有可访问对象上色，
  5. 遍历全部对象，清除所有标记回收的对象

  实际的垃圾回收算法极其复杂，至今，没有一个完美的并发算法，使得在GC时，系统不暂停(stop the world)

• 其它

  • 整页分配

  对于一次事务，分配足够内存(或是动态增长), 对象只创建，无需回收，事务完成，整页回收，这样的好处是分配极快，但需要清楚事务的边界，不可跨事务使用。

  • 对象池
    对象池 省去对象反复创建，销毁的成本
    对象需要提供，无参构造函数，init(...), reset()规范，对象池可通过栈管理。

      template<typename OBJECT>
      class object_pool{
          OBJECT* get_object(...)
          {
              auto object = pool.pop()
              object.init(...)
              ...
          }
          
          void release_object(OBJECT object)
          {
               object.reset()
               pool.push(object)
          }
          ...
      }
    

如果你在实践中，还有什么对象管理的技巧，请告诉我 (lxf0525@gmail.com)