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C++:最強大的.NET語言之內存與資源

編輯:C++入門知識

當運行環境中包含垃圾回收機制時,區別開內存管理和資源管理,就非常重要了。典型地來說,垃圾回收器只對包含對象的內存之分配與釋放感興趣,它可不關心你的對象是否擁有其他的資源,如數據庫連接或核心對象的句柄。

  內存管理

  本地C++為程序員提供了超越內存管理的直接控制能力,在堆棧上分配一個對象,意味著只有在進入特定函數時,才會為對象分配內存,而當函數返回或堆棧展開時,內存被釋放。可使用操作符new來動態地為對象分配內存,此時內存分配在CRT堆中,並且需要程序員顯存地對對象指針使用操作符delete,才能釋放它。這種對內存的精確控制,也是C++可用於編寫極度高效的程序的原因之一,但如果程序員不小心,這也是內存洩漏的原因。另一方面,你不需要求助於垃圾回收器來避免內存洩漏--實際上這是CLR所采取的方法,而且是一個非常有效的方法,當然,對於垃圾回收堆,也有其他一些好處,如改進的分配效率及引用位置相關的優勢。所有這一切,都可以在C++中通過庫支持來實現,但除此之處,CLR還提供了一個單一的內存管理編程模型,其對所有的編程語言都是通用的,想一想與C++中COM自動化對象相交互和調度數據類型所需做的一切工作,就會發現其重要意義所在--橫跨數種編程語言的垃圾回收器,作用是非常巨大的。

  為了效率,CLR也保留了堆棧的概念,以便值類型可在其上分配,但CLR也提供了一個newobj中間語言指令,以在托管堆中分配一個對象,但此指令只在C#中對引用對象使用操作符new時提供。在CLR中,沒有與C++中的delete操作符對應的函數,當應用程序不再引用某對象時,分配的內存最後將由垃圾回收器回收。

  當操作符new應用於引用類型時,托管C++也會生成newobj指令,當然,對此使用delete操作符是不合法的。這確實是一個矛盾,但同時也證明了為什麼用C++指針概念來表示一個引用類型不是一個好的做法。

  在內存管理方面,除了上述在對象構造一節討論過的內容,C++/CLI沒有提供任何新的東西;資源管理,才是C++/CLI的拿手好戲。

  資源管理


  CLR只有在資源管理方面,才能勝過本地C++。Bjarne Stroustrup的"資源獲取即初始化"的技術觀點,基本定義了資源類型的模式,即類的構造函數獲取資源,析構函數釋放資源。這些類型是被當作堆棧上的局部對象,或復雜類型中的成員,其析構函數自動釋放先前分配的資源。一如Stroustrup所言"對垃圾回收機制來說,C++是最好的語言,主要是因為它生成很少的垃圾。"

  也許有一點令人驚訝,CLR並沒有對資源管理提供任何顯式運行時支持,CLR不支持類似析構函數的C++概念,而是在 .NET Framework中,把資源管理這種模式,提升到一個IDisposable核心接口類型的中心位置。這種想法源自包裝資源的類型,理應實現此接口的單一Dispose方法,以便調用者在不再使用資源時,可調用該方法。不必說,C++程序員會認為這是時代的倒退,因為他們習慣於編寫那些缺省狀態下清理就是正確的代碼。

  因為必須要調用一個方法來釋放資源,由此帶來的問題是,現在更難編寫"全無異常"的代碼了。因為異常隨時都可能發生,你不可能只是簡單地在一段代碼後,放置一個對對象的Dispose方法的調用,這樣做的話,就必須要冒資源洩漏的風險。在C#中解決這個問題的辦法是,使用try-finally塊和using語句,在面對異常時,可提供一個更可靠的辦法來調用Dispose方法。有時,構造函數也會使用這種方法,但一般的情況是,你必須要記住手工編寫它們,如果忘記了,生成的代碼可能會存在一個悄無聲息的錯誤。對缺乏真正析構函數的語言來說,是否需要try-finally塊和using語句,還有待論證。

using (SqlConnection connection = new SqlConnection("Database=master; Integrated Security=sspi"))
{
 SqlCommand command = connection.CreateCommand();
 command.CommandText = "sp_databases";
 command.CommandType = CommandType.StoredProcedure;

 connection.Open();

 using (SqlDataReader reader = command.ExecuteReader())
 {
  while (reader.Read())
  {
   Console.WriteLine(reader.GetString(0));
  }
 }
}
  對托管C++來說,情節也非常類似,也需要使用一個try-finally語句,但其是Microsoft對C++的擴展。雖然很容易編寫一個簡單的Using模板類來包裝GCHandle,並在模板類的析構函數中調用托管對象的Dispose方法,但托管C++中依然沒有C# using語句的對等物。

Using<SqlConnection> connection(new SqlConnection(S"Database=master; Integrated Security=sspi"));

SqlCommand* command = connection->CreateCommand();
command->set_CommandText(S"sp_databases");
command->set_CommandType(CommandType::StoredProcedure);

connection->Open();

Using<SqlDataReader> reader(command->ExecuteReader());

while (reader->Read())
{
 Console::WriteLine(reader->GetString(0));
}
  想一下C++中對資源管理的傳統支持,其對C++/CLI也是適用的,但C++/CLI的語言設計猶如為C++資源管理帶來了一陣輕風。首先,在編寫一個管理資源的類時,對大部分CLR平台語言來說,其中一個問題是怎樣正確地實現Dispose模式,它可不像本地C++中經典的析構函數那樣容易實現。當編寫Dispose方法時,需要確定調用的是基類的Dispose方法--若有的話,另外,如果選擇通過調用Dispose方法來實現類的Finalize方法,還必須關注並發訪問,因為Finalize方法很可能被不同的線程所調用。此外,與正常程序代碼相反,如果Dispose方法實際上是被Finalize方法調用的,還需要小心仔細地釋放托管資源。

  C++/CLI並沒有與上述情況脫離得太遠,但它提供了許多幫助,在我們來看它提供了什麼之前,先來快速回顧一下如今的C#和托管C++有多麼接近。下例假設Base從IDisposable派生。

class Derived : Base
{
 public override void Dispose()
 {
  try
  {
   //釋放托管與非托管資源
  }
  finally
  {
   base.Dispose();
  }
 }

 ~Derived() //實現或重載Object.Finalize方法
 {
  //只釋放非托管資源
 }
}
托管C++也與此類似,看起來像析構函數的代碼其實是一個Finalize方法,編譯器實際上插入了一個try-finally塊並調用基類的Finalize方法,因此,C#與托管C++相對容易編寫一個Finalize方法,但在編寫Dispose方法時,卻沒有提供任何幫助。程序員們經常使用Dispose方法,把它當作一個偽析構函數以便在代碼塊末執行一點其他的代碼,而不是為了釋放任何資源。

  C++/CLI認識到了Dispose方法的重要性,並在引用類型中,使之成為一個邏輯"析構函數"。

ref class Derived : Base
{
 ~Derived() //實現或重載IDisposable::Dispose方法
 {
  //釋放托管與非托管資源
 }

 !Derived() //實現或重載IDisposable::Dispose方法
 {
  //只釋放非托管資源
 }
};
  對C++程序員來說,這讓人感覺更自然了,能像以往那樣,在析構函數中釋放資源了。編譯器會生成必要的IL(中間語言)來正確實現IDisposable::Dispose方法,包括抑制垃圾回收器調用對象的任何Finalize方法。事實上,在C++/CLI中,顯式地實現Dispose方法是不合法的,而從IDisposable繼承只會導致一個編譯錯誤。當然,一旦類型通過編譯,所有使用該類型的CLI語言,將只會看到Dispose模式以其每種語言最自然的方式得以實現。在C#中,可以直接調用Dispose方法,或使用一個using語句--如果類型定義在C#中。那麼C++呢?難道要對堆中的對象正常地調用析構函數?此處當然是使用delete操作符了,對一個句柄使用delete操作符將會調用此對象的Dispose方法,而回收對象的內存是垃圾回收器該做的事,我們不需要關心釋放那部分內存,只要釋放對象的資源就行了。

Derived^ d = gcnew Derived();
d->SomeMethod()
delete d;
  如果表達式中傳遞給delete操作符的是一個句柄,將會調用對象的Dispose方法,如果此時再沒有其他對象鏈接到引用類型,垃圾回收器就會釋放對象所占用的內存。如果表達式中是一個本地C++對象,在釋放內存之前,還會調用對象的析構函數。

  毫無疑問,在對象生命期管理上,我們越來越接近自然的C++語法,但要時刻記住使用delete操作符,卻不是件易事。C++/CLI允許對引用類型使用堆棧語義,這意味著你能用在堆棧上分配對象的語法來使用一個引用類型,編譯器會提供給你所期望的C++語義,而在底層,實際上仍是在托管堆中分配對象,以滿足CLR的需要。

Derived d;
d.SomeMethod();
  當d超出范

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