軟體 - C++：最強大的.NET語言之記憶體與資源

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C++：最強大的.NET語言之記憶體與資源

當執行環境中包含LJ回收機制時，區別開記憶體管理和資源管理，就非常重要了。典型地來說，LJ回收器只對包含對象的記憶體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，如資料庫連接或核心對象的句柄。

　　記憶體管理

　　本機C++為程式員提供了超越記憶體管理的直接控制能力，在堆疊上分配一個對象，意味著只有在進入特定函數時，才會為對像分配記憶體，而當函數返回或堆疊展開時，記憶體被釋放。可使用操作符new來動態地為對像分配記憶體，此時記憶體分配在CRT堆中，並且需要程式員顯存地對對像指針使用操作符delete，才能釋放它。這種對記憶體的精確控制，也是C++可用於編寫極度高效的程式的原因之一，但如果程式員不小心，這也是記憶體洩漏的原因。另一方面，你不需要求助於LJ回收器來避免記憶體洩漏--實際上這是CLR所採取的方法，而且是一個非常有效的方法，當然，對於LJ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記憶體管理編程模型，其對所有的編程語言都是通用的，想一想與C++中COM自動化對像相交互和調度資料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LJ回收器，作用是非常巨大的。

　　為了效率，CLR也保留了堆疊的概念，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#中對引用對像使用操作符new時提供。在CLR中，沒有與C++中的delete操作符對應的函數，當應用程式不再引用某對像時，分配的記憶體最後將由LJ回收器回收。

　　當操作符new應用於引用類型時，托管C++也會產生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。

　　在記憶體管理方面，除了上述在對像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，才能勝過本機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疊上的局部對象，或複雜類型中的成員，其析構函數自動釋放先前分配的資源。一如Stroustrup所言"對LJ回收機制來說，C++是最好的語言，主要是因為它產生很少的LJ。"

　　也許有一點令人驚訝，CLR並沒有對資源管理提供任何顯式執行時支持，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核心接頭類型的中心位置。這種想法源自包裝資源的類型，理應實現此接頭的單一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++程式員會認為這是時代的倒退，因為他們習慣於編寫那些預設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，產生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，它可不像本機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，與正常程式代碼相反，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。程式員們經常使用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:ispose方法
　{
　　//釋放托管與非托管資源
　}

　!Derived() //實現或重載IDisposable:ispose方法
　{
　　//只釋放非托管資源
　}
};

　　對C++程式員來說，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。編譯器會產生必要的IL（中間語言）來正確實現IDisposable:ispose方法，包括抑制LJ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，而回收對象的記憶體是LJ回收器該做的事，我們不需要關心釋放那部分記憶體，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像鏈接到引用類型，LJ回收器就會釋放對像所佔用的記憶體。如果表達式中是一個本機C++對象，在釋放記憶體之前，還會調用對象的析構函數。

　　毫無疑問，在對像生命期管理上，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疊語義，這意味著你能用在堆疊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超出範圍時，它的Dispose將會被調用，以釋放它所佔用的資源。再則，因為對像實際是在托管堆中分配的，所以LJ回收器會在它的生命期結束時釋放它。來看一個ADO.NET的例子，它與C++/CLI中的概念非常相似。

SqlConnection connection("Database=master; Integrated Security=sspi");

SqlCommand^ command = connection.CreateCommand();
command->CommandText = "sp_databases";
command->CommandType = CommandType::StoredProcedure;

connection.Open();

SqlDataReader reader(command->ExecuteReader());

while (reader.Read())
{
　Console::WriteLine(reader.GetString(0));
}