C++如何实现一个简单的垃圾回收器_C++标记-清除(Mark-Sweep)垃圾回收算法原理

标记-清除算法通过标记阶段从根对象出发标记所有可达对象，清除阶段回收未标记对象；C++中可模拟实现：定义GCObject基类、维护全局对象集与根集，重写markChildren遍历引用，执行mark-sweep流程回收不可达对象，示例中unreachable因无引用被释放，最终对象数减一。

在C++中实现一个简单的垃圾回收器，可以通过手动模拟“标记-清除”（Mark-Sweep）算法来管理动态分配的对象。虽然C++本身不提供自动垃圾回收机制，但我们可以利用智能指针、对象图遍历和内存标记技术来实现基础版本。

什么是标记-清除（Mark-Sweep）算法？

标记-清除算法是最早的垃圾回收策略之一，分为两个阶段：

• 标记阶段：从根对象（如全局变量、栈上指针）出发，遍历所有可达对象，并给它们打上“存活”标记。
• 清除阶段：扫描整个堆内存，回收未被标记的对象，释放其内存，并清除已标记对象的标记位以便下次使用。

该算法适用于存在复杂引用关系的对象系统，比如树形结构或图结构。

C++中如何模拟垃圾回收？

由于C++没有运行时类型信息（RTTI）支持完整的对象图遍历，我们需要对可被回收的对象进行封装，并显式维护引用关系。

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以下是一个简化的实现思路：

• 定义一个基类 GCObject，所有可被回收的对象都继承它。
• 用一个全局集合记录所有已分配的 GCObject*。
• 每个对象包含一个标记位（mark bit）。
• 提供根集（root set），例如当前活动的指针列表。
• 实现 mark 阶段：从根开始递归标记所有可达对象。
• 实现 sweep 阶段：遍历所有对象，删除未标记的。

代码示例：简易 Mark-Sweep GC

下面是一个极简版本的实现框架：

#include 
#include 
#include 
#include 
class GCObject {
public:
bool marked;
GCObject() : marked(false) {}
virtual ~GCObject() = default;
virtual void markChildren() {} // 子类重写以标记引用的子对象
};
// 全局对象池和根集
std::set> all_objects;
std::vector> roots;
void gc_mark() {
for (auto* obj : roots) {
if (obj && !obj->marked) {
obj->marked = true;
obj->markChildren();
}
}
}
void gc_sweep() {
auto it = all_objects.begin();
while (it != all_objects.end()) {
GCObject obj = it;
if (!obj->marked) {
it = all_objects.erase(it);
delete obj; // 实际回收
} else {
obj->marked = false; // 重置标记供下次使用
++it;
}
}
}
void garbage_collect() {
std::cout << "开始垃圾回收...\n";
gc_mark();
gc_sweep();
std::cout << "垃圾回收完成。\n";
}
// 示例：一个持有其他对象引用的类
class ListObject : public GCObject {
public:
std::vector elements;
void markChildren() override {
    for (auto* elem : elements) {
        if (elem && !elem->marked) {
            elem->marked = true;
            elem->markChildren();
        }
    }
}

void add(GCObject* obj) {
    elements.push_back(obj);
}
};

							

								
								

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// 辅助函数：注册新对象
template
T new_object() {
T obj = new T();
all_objects.insert(obj);
return obj;
}
// 添加根指针
void push_root(GCObject* obj) {
roots.push_back(obj);
}
void pop_root() {
if (!roots.empty()) roots.pop_back();
}

使用示例
演示一次简单的垃圾回收过程：
int main() {
    // 创建一些对象并加入根
    ListObject* root_list = new_object();
    push_root(root_list);
// 添加子对象
GCObject* child1 = new_object();
GCObject* child2 = new_object();

root_list->add(child1);
root_list->add(child2);

// 再创建一个不可达对象
GCObject* unreachable = new_object();

std::cout << "总对象数: " << all_objects.size() << "\n";

// 执行GC
garbage_collect();

std::cout << "GC后剩余对象数: " << all_objects.size() << "\n";

// 清理根
pop_root();
return 0;
}

输出大致为：
总对象数: 4
开始垃圾回收...
垃圾回收完成。
GC后剩余对象数: 3
其中 unreachable 没有被任何根或子对象引用，因此被回收。
注意事项与局限性


需要手动管理根集：程序员必须确保活跃指针正确添加到根中。

无法处理循环引用以外的问题：本方案仍依赖开发者正确实现 markChildren。

性能开销：每次GC需遍历全部对象，不适合高频调用。

缺乏类型安全和自动发现引用：C++没有反射机制，无法自动识别成员中的指针。

若要更进一步，可以结合 std::shared_ptr + std::weak_ptr 来避免循环引用，但这属于半自动方式，不是真正意义上的GC。
总结
尽管C++不内置垃圾回收，但通过继承统一基类、维护对象池和根集，可以实现一个基本的标记-清除回收器。这种技术适合嵌入式脚本引擎、游戏逻辑系统等需要可控内存管理的场景。关键是理解“可达性”概念，并在合适时机触发回收。
基本上就这些，不复杂但容易忽略细节。