C++中的垃圾回收和内存管理

最开始的时候看到了许式伟的内存管理变革系列，看到性能测试结果的时候，觉得这个实现很不错，没有深入研究其实现。现在想把这个用到自己的一个项目中来，在linux下编译存在一些问题，所以打算深入研究一下。

讨论C++内存管理的有两个主要的博客，一个是许式伟的系列，(CSDN: http://blog.csdn.net/xushiweizh/article/details/1388982,许式伟个人空间：http://xushiwei.com/gc-allocator-summary);另一个是CppExplore的一个内存管理系列(http://www.cppblog.com/CppExplore/archive/2008/02/18/42890.html). 主要来研究许式伟的内存管理。

学习许式伟的内存管理器实现，参考
http://cplusplus.wikidot.com/cn:memory-management-innovation

gc_1
   simple_gc.h
   test.cpp
实现了系列第一篇文章中讲到的内容，一个基本的Allocator，对malloc的封装，用于申请内存，利用new可以在指定位置申请内存，实现新的new函数，在allocator申请的内存上分配内存。
如果所有的内存都是从某个allocator申请的，那么释放allocator的内存，就释放掉了之前所有在它上面分配的内存。但这个simple_gc只是概念上的，没有实现memory pool的管理。所以接下来看AutoAlloc.

gc_2
    auto_alloc.h
    auto_alloc.cpp
    test.cpp
实现了系列第二篇文章中讲到的内容，一个包含memory block管理的Allocator，被其称之为最袖珍的垃圾回收器--AutoAlloc.由于他写文章之后又对代码有部分修改，但又没有修改完全，文章中的代码片段需要进行修正和补充，才能进行编译。每个memory block大小为2048字节，对于小于这个大小的对象，可以直接从这个block里面分一部分，如果剩余部分还足够大，可以给新的对象，那么就继续分。如果无法满足要求，则申请新的block，或者更大的block。所以有些block没有被完全利用，产生一些碎片。由于申请的一块可以给很多对象使用，不需要每个对象申请一次，所以申请内存的效率比较高。但是这个内部需要维护memory block的链表，析构函数的链表，及碎片的存在，会有一些浪费。

gc_1和gc_2的代码，

// simple_gc.h
#ifndef SIMPLE_ALLOC_H_
#define SIMPLE_ALLOC_H_

#include <cstdlib>    /* malloc, free, rand */
#include <new>

template <class Type>
struct DestructorTraits
{
    static void Destruct(void* pThis)
    {
        ((Type*)pThis)->~Type();
    }
};

typedef void (*FnDestructor)(void* pThis);


class SimpleAlloc
{
public:
    //注意这里提供的参数fnDestroy，它是为那些具备垃圾回收能力的allocator需要提供。
    void* Alloc(size_t cb, FnDestructor fnDestroy = NULL)
    {
        return malloc(cb);
    }
 
    //注意这里有看似多余的参数cb，这完全是为了和后续提供的allocator规格一致的需要。
    void Free(void* data, size_t cb)
    {
        free(data);
    }
};

// 类似于new Type
template <class Type, class AllocType>
inline Type* New(AllocType& alloc)
{
    void* obj = alloc.Alloc(sizeof(Type), DestructorTraits<Type>::Destruct);
    return new(obj) Type;
}

// 类似于new Type(arg1)
template <class Type, class ArgType1, class AllocType>
Type* New(ArgType1 arg1, AllocType& alloc)
{
    void* obj = alloc.Alloc(sizeof(Type), DestructorTraits<Type>::Destruct);
    return new(obj) Type(arg1);
}

// 类似于new Type[count]
template <class Type, class AllocType>
Type* NewArray(size_t count, AllocType& alloc)
{
    void* obj = alloc.Alloc(sizeof(Type)*count, DestructorTraits<Type>::Destruct);
    return new(obj) Type[count];
}


#endif /* SIMPLE_ALLOC_H_ */

auto_alloc.h和auto_alloc.cpp

#ifndef AUTO_ALLOC_H_
#define AUTO_ALLOC_H_

#include <cstdlib>    /* malloc, free, rand */
#include <new>


typedef void (*FnDestructor)(void* pThis);
 
/*
class AutoAlloc
{
public:
    ~AutoAlloc();                                  // 析构函数。自动调用Clear释放内存
    void* allocate(size_t cb);                     // 类似于malloc(cb)
    void* allocate(size_t cb, FnDestructor fn);    // 申请内存并指定析构函数
    void clear();                                  // 析构并释放所有分配的对象
};
*/

class AutoAlloc
{
public:
    enum { BlockSize = 2048 };
private:
    struct _MemBlock
    {
        _MemBlock* pPrev;
        char buffer[BlockSize];
    };
    enum { HeaderSize = sizeof(_MemBlock) - BlockSize };
 
    char* m_begin;
    char* m_end;

    _MemBlock* _ChainHeader() const
    {
        return (_MemBlock*)(m_begin - HeaderSize);
    }

    struct _DestroyNode
    {
        _DestroyNode* pPrev;
        FnDestructor fnDestroy;
    };
    _DestroyNode* m_destroyChain;

public:
    AutoAlloc();
    ~AutoAlloc();                                  // 析构函数。自动调用Clear释放内存
    void* Alloc(size_t cb);                     // 类似于malloc(cb)
    void* Alloc(size_t cb, FnDestructor fn);    // 申请内存并指定析构函数
    void Clear();                                  // 析构并释放所有分配的对象
    
};

template <class Type>
struct DestructorTraits
{
    static void Destruct(void* pThis)
    {
        ((Type*)pThis)->~Type();
    }
};

// 类似于new Type
template <class Type, class AllocType>
inline Type* New(AllocType& alloc)
{
    void* obj = alloc.Alloc(sizeof(Type), DestructorTraits<Type>::Destruct);
    return new(obj) Type;
}

// 类似于new Type(arg1)
template <class Type, class ArgType1, class AllocType>
Type* New(ArgType1 arg1, AllocType& alloc)
{
    void* obj = alloc.Alloc(sizeof(Type), DestructorTraits<Type>::Destruct);
    return new(obj) Type(arg1);
}

// 类似于new Type[count]
template <class Type, class AllocType>
Type* NewArray(size_t count, AllocType& alloc)
{
    void* obj = alloc.Alloc(sizeof(Type)*count, DestructorTraits<Type>::Destruct);
    return new(obj) Type[count];
}

#endif /* AUTO_ALLOC_H_ */

#include "auto_alloc.h"

#include <cstdio>

AutoAlloc::AutoAlloc()
{
      m_begin = m_end = (char*)HeaderSize;
    m_destroyChain = NULL;
}

void* AutoAlloc::Alloc(size_t cb)
{
    if(m_end - m_begin < cb)
    {
        if (cb >= BlockSize)
        {
                _MemBlock* pHeader = _ChainHeader();
                _MemBlock* pNew = (_MemBlock*)malloc(HeaderSize + cb);
                if (pHeader)
                {
                    pNew->pPrev = pHeader->pPrev;
                    pHeader->pPrev = pNew;
                }
                else
                {
                    m_end = m_begin = pNew->buffer;
                    pNew->pPrev = NULL;
                }
                return pNew->buffer;        
        }
        else
        {
            _MemBlock* pNew = (_MemBlock*)malloc(sizeof(_MemBlock));
            pNew->pPrev = _ChainHeader();
            m_begin = pNew->buffer;
            m_end = m_begin + BlockSize;
        }
    }
    return m_end -= cb;
}

void AutoAlloc::Clear()
{

    // destroy
    printf("destroy
");
    while (m_destroyChain)
    {
        m_destroyChain->fnDestroy(m_destroyChain + 1);
        m_destroyChain = m_destroyChain->pPrev;
    }
    
    // free memory
    printf("free memory
");
    _MemBlock* pHeader = _ChainHeader();
    while (pHeader)
    {
        _MemBlock* pTemp = pHeader->pPrev;
        free(pHeader);
        pHeader = pTemp;
    }
    m_begin = m_end = (char*)HeaderSize;
}

void* AutoAlloc::Alloc(size_t cb, FnDestructor fn)
{
    _DestroyNode* pNode = (_DestroyNode*)Alloc(sizeof(_DestroyNode) + cb);
    pNode->fnDestroy = fn;
    pNode->pPrev = m_destroyChain;
    m_destroyChain = pNode;
    return pNode + 1;
}

AutoAlloc::~AutoAlloc()
{
    Clear();
}

测试代码这里给出一份就可以了，

//#include "simple_gc.h"
#include "auto_alloc.h"

#include <cstdio>

class MyClass
{
public:
    int a;
public:
    MyClass(int t=52):a(t){}
    ~MyClass(){}
    void Print()
    {
        printf("%d
",a);
    }
};


int main()
{

//    SimpleAlloc alloc;
    AutoAlloc alloc;    
    int count = 5; 

    int* intArray = NewArray<int>(count, alloc);
 
    for(int i=0;i<count;i++)
    {
        intArray[i] = i+1;
    }
    for(int i=0;i<count;i++)
    {
        printf("%d ",intArray[i]);
    }
    printf("
");

    MyClass* obj = New<MyClass>(alloc);
    
    obj->Print();

    int arg1 = 1024;
    MyClass* objWithArg = New<MyClass>(arg1, alloc);

     objWithArg->Print();

    alloc.Clear();

//    MyClass* objArray = NewArray<MyClass>(count, alloc);

    return 0;
}

gc_3
这里只是介绍了AutoFreeAlloc的适用情况。AutoFreeAlloc的内存是在最后一次性释放的。在有些情况中，有些对象已经不需要，
需要手动释放，避免大量内存被占用，这个时候AutoFreeAlloc就不适合了。

gc_4
这里介绍boost::object_pool. boost::object_pool管理某一类对象，支持手动释放内存，对于没有手动释放的内存，这个object_pool会遍历
所有的block，确定是否已经是自由内存，如果不是，则进行回收。
allocator只是内存管理器，而 gc allocator则是指具有垃圾回收功能的内存管理器。

gc_5
这里评论了智能指针和其它垃圾回收器的使用情况。

gc_6
这里介绍了ScopeAlloc，给出了很多代码片段，不容易组织称完整的代码。但可以大致了解ScopeAlloc的原理。
在AutoFreeAlloc中，内置了一个memory block的链表，来管理内存。而在ScopeAlloc中，向BlockPool申请内存。
相比于AutoFreeAlloc，适用范围更广，速度更快。

gc_7
将ScopeAlloc用于STL时，需要将ScopeAlloc封装一层，得到StlAlloc.

gc_8
这里介绍了多线程环境中的gc allocator。推荐的方式是，每个线程有自己的allocator，但是都向同一个memory pool申请内存。
这里要求memory pool是多线程安全的，互斥申请内存。

虽然他的代码可以下载，但我在linux使用的时候出现各种问题，由于他包含了多线程模型的支持，代码也复杂了一些，需要继续研究。 

 代码可以在linux下编译，在boost-memory-xx/libs/memory/build/下面有Makefile文件，Makefile.li32表示linux 32bit版本的makefile. 

在编译之前还是需要做几个小的修改，一个是关于memcpy，在basic.hpp里面添加#include <cstring>，另一个是_alloca函数，添加#include <cstdlib>。

然后编译得到的为动态库文件，libboost-memory.so，在build/Debug下面。