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c++如何实现一个简单的垃圾回收(GC)机制_c++标记-清除算法实现【内存管理】

尼克

发布： 2025-12-20 11:25:46

原创

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C++标准不提供自动垃圾回收，但可手动实现标记-清除GC机制；需继承GCObject基类、使用GCPtr智能指针、维护对象池与根集，分标记和清除两阶段回收不可达对象。

c++如何实现一个简单的垃圾回收(gc)机制_c++标记-清除算法实现【内存管理】

在 C++ 中，标准语言本身不提供自动垃圾回收（GC），但可以通过手动模拟标记-清除（Mark-Sweep）算法实现一个简易的、面向特定场景的 GC 机制。它适用于嵌入式环境、教学演示、或对内存生命周期有明确控制需求的轻量级运行时（如脚本引擎）。下面是一个基于对象引用计数 + 标记-清除思想的简化实现思路，**不依赖第三方库，纯 C++11+ 实现**。

核心设计原则

真正的 GC 需要解决三个关键问题：如何识别“活着”的对象、如何遍历引用关系、何时触发回收。C++ 没有运行时反射和堆对象枚举能力，所以必须由程序员显式参与：

所有被 GC 管理的对象需继承统一基类（如 GCObject），并提供 mark() 方法用于递归标记引用的子对象
所有指针需封装为智能指针（如 GCPtr），在赋值/析构时自动更新引用关系
全局维护一个对象池（std::vector），新对象注册进池，GC 时扫描整个池

基础类型定义

先定义可被管理的对象基类和智能指针包装器：

class GCObject {
public:
    bool marked = false;
    virtual ~GCObject() = default;
    // 子类必须重写此函数，标记自己持有的所有 GCPtr 成员
    virtual void mark() = 0;
};
<p>template<typename T>
class GCPtr {
T<em> ptr_ = nullptr;
public:
GCPtr() = default;
explicit GCPtr(T</em> p) : ptr<em>(p) { if (ptr</em>) ptr_->ref<em>count++; }
GCPtr(const GCPtr& other) : ptr</em>(other.ptr<em>) { if (ptr</em>) ptr_->ref<em>count++; }
GCPtr& operator=(const GCPtr& other) {
if (this != &other) {
if (ptr</em>) ptr_->ref<em>count--;
ptr</em> = other.ptr<em>;
if (ptr</em>) ptr_->ref<em>count++;
}
return *this;
}
~GCPtr() { if (ptr</em>) ptr_->ref<em>count--; }
T* operator->() const { return ptr</em>; }
T& operator<em>() const { return </em>ptr<em>; }
operator bool() const { return ptr</em> != nullptr; }
};

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⚠️ 注意：上面是引用计数辅助版（更易理解），但严格意义上的“标记-清除”无需引用计数——它靠遍历可达性图判断存活。若坚持纯标记-清除，mark() 应由根集合（如全局变量、栈上 GCPtr）出发调用，且 GCPtr 需重载 operator-> 并在访问时确保目标已注册到 GC 池。

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标记-清除主流程

GC 分两阶段：标记（Mark）从根集合出发，递归标记所有可达对象；清除（Sweep）遍历对象池，回收未被标记的对象：

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class GC {
    static std::vector<GCObject*> heap_;
    static std::vector<GCPtr<GCObject>> roots_; // 根集：全局或线程局部的活跃指针
<p>public:
static void collect() {
// 1. Mark phase
for (auto& root : roots_) {
if (root) root->mark(); // 触发深度标记
}</p><pre class="brush:php;toolbar:false;">    // 2. Sweep phase
    auto new_end = std::remove_if(heap_.begin(), heap_.end(), [](GCObject* obj) {
        if (!obj->marked) {
            delete obj; // 调用析构，释放内存
            return true;
        } else {
            obj->marked = false; // reset for next GC
            return false;
        }
    });
    heap_.erase(new_end, heap_.end());
}

static void register_object(GCObject* obj) {
    heap_.push_back(obj);
}

static void add_root(const GCPtr<GCObject>& ptr) {
    roots_.push_back(ptr);
}

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};

使用示例（链表节点）

定义一个支持 GC 的链表节点，并正确实现 mark()：

struct ListNode : public GCObject {
    int data;
    GCPtr<ListNode> next;
<pre class="brush:php;toolbar:false;">ListNode(int d) : data(d) {}

void mark() override {
    if (next) next->mark(); // 递归标记下游节点
}

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};

// 使用方式： GC::add_root(GCPtr(new ListNode(1))); auto head = GCPtr(new ListNode(1)); head->next = GCPtr(new ListNode(2)); GC::register_object(head.get()); GC::register_object(head->next.get()); // ... 后续调用 GC::collect() 即可回收不可达节点

本质上，C++ 的“手动 GC”是权衡：它牺牲了全自动便利性，换来了可控性与零运行时开销（无后台线程、无暂停）。真正工程中推荐优先使用 RAII + std::unique_ptr/std::shared_ptr；仅当对象图复杂、存在循环引用、且无法改用 weak_ptr 时，才考虑轻量 GC 扩展。基本上就这些。

以上就是c++++如何实现一个简单的垃圾回收(GC)机制_c++标记-清除算法实现【内存管理】的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！