從智慧指標到垃圾收集

現代程式語言大多具備垃圾收集機制，若想確切地知道運作方式，可從實作C++智慧指標（smart pointer）開始著手，這也有助於理解各種垃圾收集演算法的優缺點，以及必要時能夠選擇適當的垃圾收集器。

以堆疊來包裹堆積

想理解程式語言的垃圾收集機制，往往就會涉及堆疊（stack）、堆積（heap）的說明，大部份文件會以資源是否動態配置，來區別這兩個存放位置，但實際的差異是在於資源生命週期的不同。

因為，函式執行結束時，堆疊必須為空，因此存放在堆疊的資源，我們可以理解為，其生命週期局限於函式執行期間，然而，有些資源無法預期其使用的生命週期，這類資源會存放在堆積，正因為位於堆積的資源無法預期生命週期，才必須在不使用的時候自行清除。

問題就在於「無法預期」。因為程式運行後，資源之間的互用關係錯綜複雜，開發者也很難掌握哪些資源還在使用，而哪些是已經沒人要的垃圾，這時，就會希望有個類似生活中資源回收業者之類的程式，可以代為判斷是否為垃圾，並予以清除。

但C++沒有垃圾收集機制，該怎麼辦呢？實際上，有些開發者自以為無法預期生命週期的資源，原因就只是懶得想罷了。

例如，函式中若需要動態配置連續空間來當成陣列使用，在函式結束前，我們就要用delete[]刪除，只是有時會忘了這件事，此時，我們如果可以設計一個會在函式結束前刪除資源的類別，就不會因為忽略而造成資源沒有回收。

什麼樣的資源會自動在函式執行後結束生命週期呢？就是哪些放在堆疊的資源，如果可以用堆疊的資源，也就是函式的區域物件來包裹堆積的資源，一旦堆疊資源結束生命週期時，就去刪除堆積資源，這件事就解決了，而C++可以透過定義包裹器的解構器（destructor）來做這件事。

如果包裹器各自只管理一份資源，就沒有其他問題了，然而在現實程式中是不可能的。因為，一份資源可能被指定給多個物件，這時包裹器該如何共享資源，就決定了包裹器的複製建構式、指定運算子與解構式怎麼寫了。

C++智慧指標

在C++ 98有auto_ptr類別，雖然現在已經廢棄，不過實作上最簡單（可參考〈auto_ptr〉）。

auto_ptr被用來建構另一auto_ptr實例時，來源實例包裹的資源會被接管，將auto_ptr指定給另一auto_ptr時，目標實例包裹的資源會被刪除，並接管來源實例的資源，因此，在解構式中，我們只要檢查資源是不是nullptr，若結果為否，就delete資源。

事實上，auto_ptr被廢棄的原因在於，接管資源的動作是隱含的，開發者容易忽略了資源被接管，而持續使用沒有包裹任何資源的auto_ptr。另一個問題是，它無法管理動態配置的連續空間，因為不會使用delete[]來刪除。

因此解決問題的方式之一就是，不允許複製建構與複製指定，如果真的要轉移資源，必須透過的明確語義的方法來釋放、重置資源。而對於第二個問題的因應，我們可以讓使用者指定刪除器，自行決定怎麼刪除資源，這個概念在C++ 11中的實作品是unique_ptr（想看看實作原理可參考〈unique_ptr〉），因為轉移資源意謂著資源是不能共享的，一旦unique_ptr呼叫了release，在還沒有用reset重置管理的資源前，是不能透過unique_ptr來試圖操作資源。

不過，現實程式中有更多情況會需要共享資源，而一旦資源被共享，情況就會變得複雜許多。因此，最基本的考量就是：還有誰使用著被管理的資源呢？

在C++ 11當中，有shared_ptr使用參考計數，如果資源被複製建構或指定，參考計數增一，若某個auto_ptr解構時，參考計數就減一；如果auto_ptr解構時，發現參考計數為零，就表示沒有其他地方使用這份資源了，此時，可以直接刪除（想看看實作原理可參考〈shared_ptr〉）。

unique_ptr、shared_ptr被稱為智慧指標，然而，從實作上就可以知道，它們並不是指標，而是行為上具有指標行為的指標包裹器。具體而言，它們就是重載了*、->運算子的類別，對於沒有重載對應運算子的指標行為，例如+、++、-、--等，就不會支援，若真要進行這類操作，必須透過get取得管理的指標直接操作。

垃圾收集器

shared_ptr的好處是，資源在不使用的時候就會被刪除。然而，若資源的刪除也有其成本，以及開發者希望資源的刪除不是參考計數為零時，而是在某個時間點，例如，使用者沒在操作應用程式時再來檢查與清除。

那麼，該如何處理這種情況？我們可以設計一個資源清單（list），專門用來記錄資源的參考計數，當資源的包裹器被複製建構或指定，而需要增加參考計數時，我們可透過使用資源的記憶位址來查找資源清單，處理對應的參考計數。

當資源的包裹器解構時，清單中對應的參考計數會減一，若參考計數為零，並不會馬上刪除資源，而是在某個時間點，呼叫collect之類的方法。基於這樣的做法，我們會逐一取得資源清單中的參考計數，若某個資源的參考計數為零，從清單中移除並刪除該資源，這就是垃圾收集的相關文件中，所談到的基本垃圾收集器原理。在《The Art of C++》第二章，有個簡單的垃圾收集器，就是基於參考計數的實作，有興趣可以參考。

然而，shared_ptr有個問題，在shared_ptr實例間不小心形成環狀下，會因為參考計數計算錯誤，而令資源明明不再使用，參考計數卻不為零而未被刪除。想解決這個問題的方式之一，是透過C++ 11提供的weak_ptr──當shared_ptr實例用來建構weak_ptr實例，或指定給weak_ptr時，動態配置資源的參考計數並不會增加，因此，形成環狀也就不會造成參考計數的錯誤（可參考〈weak_ptr〉。

至於垃圾收集器這邊，就有其他的方案了，像是標記／清除、節點複製、分代收集等，現代程式語言可能結合了多個方案，例如，Python使用了參考計數，並輔以標記／清除、分代搜尋等，如果確定資源不會形成環狀，還可以透過gc模組的disable停用垃圾收集器。

思考資源的使用方式

若開發者使用C++，有興趣的話，可以自行實作shared_ptr等智慧指標，對於資源如何釋放這件事，就會有更多的認識，在運用到動態配置資源時，也就會有多個機會思考，設想這些資源的生命週期與使用情境，從而決定該選用哪個智慧指標。而這就像在生活當中，將一切棄置用品訴諸資源回收業者前，消費者自身還是要作好基本的分類。

試著自行實作個簡單的垃圾收集器，也是個有趣的挑戰，這有助於我們理解標記／清除、節點複製、分代收集等方案的優缺點。有些語言允許開發者操作或選擇垃圾收集器，這時，對於相關演算的認識就很重要了，重要的是回頭思考資源的使用方式，而不是將一切都交給垃圾收集器就沒事了。