芯耀
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在本文的開(kāi)頭，我必須聲明這是一篇有目的性的文章。我有一個(gè)長(zhǎng)輩最近得了尿毒癥，所以我聯(lián)系芯片之家的管理員并且得到他非常爽快的允許，在芯片之家的平臺(tái)將人體的腎功能與開(kāi)發(fā)技術(shù)結(jié)合起來(lái)寫一篇文章發(fā)表在這里，希望得到更多人的幫助。所以，請(qǐng)記?。翰还苣寝D(zhuǎn)發(fā)本文，點(diǎn)在看，還是點(diǎn)擊原文輕眾籌給予幫助或者轉(zhuǎn)發(fā)，都是一次善舉。
程序的形態(tài)非常之多，不管是可以作為一個(gè)操作系統(tǒng)，還是作為一個(gè) hello world，也不管是作為一個(gè) app，還是作為一個(gè)嵌入式的固件。程序在本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，是函數(shù)代碼與資源的集合體。我們的話題是，程序的資源，而且是程序中第一要素的資源——內(nèi)存。
如果說(shuō)程序是一個(gè)人，那么骨架可以比喻成程序的架構(gòu)，皮肉則是代碼，血液則是內(nèi)存。在程序的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，絕大部分的指令在執(zhí)行與回寫操作，我必須聲明這是一篇有目的性的文章。所以我聯(lián)系芯片之家的管理員并且得到他非常爽快的允許，回寫階段都會(huì)操作到內(nèi)存，可以說(shuō)內(nèi)存伴隨著程序執(zhí)行的整個(gè)周期，就像是血液始終流轉(zhuǎn)在我們的肉體之中。那么在內(nèi)存中進(jìn)行垃圾回收的程序之“腎”,又是什么呢？
這是一段非常簡(jiǎn)單的 C 語(yǔ)言代碼。對(duì)于稍微有點(diǎn)基礎(chǔ)的人都知道在這段程序中，每一個(gè)變量所占用的內(nèi)存位置。
首先全局變量與靜態(tài)變量是放在數(shù)據(jù)段（RW 段，其中未初始化的放在 ZI 段，由程序啟動(dòng)的時(shí)候統(tǒng)一清內(nèi)存）比如：a,b,c;
局部變量放在?？臻g中，比如：d,e;
同時(shí)還申請(qǐng)了一段存放于堆的內(nèi)存，但是代碼中并未使用 free 函數(shù)進(jìn)行釋放。
根據(jù)內(nèi)存的特性我們知道，對(duì)于 a,b,c 等數(shù)據(jù)段的變量，它們是常住內(nèi)存的，生命周期是永久的。對(duì)于棧里面的局部變量 d,e。它們的生命周期僅僅在“{}”之內(nèi)，伴隨著棧操作的 push 以及 pop 指令，創(chuàng)建和消亡。
程序中當(dāng) e 消亡在花括號(hào)外后，在堆中申請(qǐng)的內(nèi)存就失去了指針對(duì)它的指向?qū)е铝?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1546935.html">內(nèi)存泄漏。如果是在簡(jiǎn)單的程序中，這樣的情況處理起來(lái)還是比較簡(jiǎn)單的，我們只要在程序后面采用 free 函數(shù)釋放內(nèi)存就可以。但是如果在擁有復(fù)雜的邏輯程序，這樣動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的內(nèi)存就需要花不少心思去管理。這個(gè)就是為啥很多 java 之類的高級(jí)語(yǔ)言在制作教程的時(shí)候都會(huì)在與 C/C++比較時(shí)經(jīng)常強(qiáng)調(diào)，java 沒(méi)有指針并且擁有垃圾自動(dòng)回收機(jī)制，會(huì)顯得更加安全，程序的健壯性更加容易得到保證。（當(dāng)然 C/C++也可以寫出健壯的程序，只是有些東西沒(méi)那么方便）。這種可以自動(dòng)幫助程序進(jìn)行內(nèi)存自動(dòng)垃圾回收的機(jī)制就是程序的“腎”了。
那么為啥 C/C++到現(xiàn)在都不支持垃圾自動(dòng)回收機(jī)制呢？我們可以從自動(dòng)垃圾回收機(jī)制的原理去尋到答案。首先說(shuō)一下自動(dòng)垃圾回收的判定算法，一般常用的是兩個(gè):
一、引用計(jì)數(shù)法。
所謂的引用計(jì)數(shù)法，顧名思義就是在內(nèi)存的描述結(jié)構(gòu)體內(nèi)部采用一個(gè)計(jì)數(shù)變量進(jìn)行計(jì)數(shù)。每當(dāng)有指針或者引用指向該內(nèi)存塊的時(shí)候，該內(nèi)存塊的描述結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的計(jì)數(shù)器就遞增。當(dāng)指針或者引用被釋放或者改變的時(shí)候就遞減。當(dāng)內(nèi)存塊的計(jì)數(shù)遞減到 0 的時(shí)候，就可以釋放回收該內(nèi)存塊了。
引用計(jì)數(shù)法，應(yīng)該說(shuō)是最簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)內(nèi)存可回收判定的算法。采用該算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回收機(jī)制的典型的有 apple 開(kāi)發(fā)平臺(tái) Object-C 支持的 ARC 機(jī)制。這種自動(dòng)垃圾回收算法的實(shí)現(xiàn)有一個(gè)依賴和一個(gè)缺點(diǎn)。它的依賴就是需要編譯器自動(dòng)插入計(jì)數(shù)代碼。想 OC 在 xcode 平臺(tái)開(kāi)發(fā)程序，它的編譯環(huán)境會(huì)自動(dòng)地插入手動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)的函數(shù) retain，release 這樣的語(yǔ)句。所以這個(gè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)垃圾回收的本質(zhì)還是讓編譯器做手動(dòng)該做的事情而已。如果說(shuō) C 也需要實(shí)現(xiàn)類似的方式進(jìn)行自動(dòng)回收，那么就需要對(duì)編譯器的預(yù)處理過(guò)程進(jìn)行改造，并且在內(nèi)存申請(qǐng)和釋放的庫(kù)函數(shù)之上維護(hù)一個(gè)內(nèi)存的監(jiān)控結(jié)構(gòu)，去給內(nèi)存塊做計(jì)數(shù)。
同時(shí)引用計(jì)數(shù)法法有一個(gè)非常大的缺點(diǎn)，就是循環(huán)引用會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。如下代碼：
當(dāng)函數(shù)執(zhí)行完畢，a 與 b 相互引用。但是在棧中以及在數(shù)據(jù)段中已經(jīng)沒(méi)有指針可以訪問(wèn)到 a 與 b 的對(duì)象本身。也就是說(shuō)程序已經(jīng)失去了這兩塊內(nèi)存的訪問(wèn)權(quán)，但是它們兩者又相互指向，導(dǎo)致內(nèi)存的計(jì)數(shù)無(wú)法歸零。所以一直不能釋放，導(dǎo)致了內(nèi)存泄漏，形成了垃圾。
二、可達(dá)性分析法。
可達(dá)性分析法，顧名思義就是分析內(nèi)存程序能否可以“達(dá)到”。也就是分析程序是否有失去對(duì)于內(nèi)存的訪問(wèn)權(quán)。程序在運(yùn)行狀態(tài)中，內(nèi)存時(shí)刻處于變化之中，猶如人體的血液流動(dòng)不止。但是不管在任何時(shí)刻，我們的程序一定可以訪問(wèn)的內(nèi)存大概有 2 個(gè)類別：
1、數(shù)據(jù)段，也就是全局變量與靜態(tài)變量。
2、?？臻g中未釋放的變量也就是當(dāng)前入棧的動(dòng)態(tài)局部變量。
可達(dá)性分析法需要依賴于 Runtime,也就是運(yùn)行時(shí)環(huán)境，它們時(shí)刻監(jiān)控著上面兩個(gè)大類內(nèi)存中的指針變量或者引用，并且周期性地對(duì)這些指針或者引用的指向進(jìn)行遍歷，并且是遞歸逐級(jí)地往下遍歷。整體而言是在遍歷一個(gè)以這兩大類內(nèi)存中的指針變量和引用為入口的圖。只要能夠遍歷到的內(nèi)存塊就可以進(jìn)行可達(dá)性的標(biāo)志。當(dāng)程序進(jìn)入垃圾回收周期，它會(huì)遍歷已經(jīng)分配的所有內(nèi)存，如果訪問(wèn)到的內(nèi)存塊擁有可達(dá)性標(biāo)志，那么則跳過(guò)。如果沒(méi)有可達(dá)性標(biāo)志，則可以釋放回收。這樣就可以避免類似引用計(jì)數(shù)算相互引用導(dǎo)致不歸零，但是不可達(dá)卻又不釋放的問(wèn)題。如下圖，藍(lán)色內(nèi)存塊是會(huì)被回收的。
然而，可達(dá)性分析算法是需要依賴于運(yùn)行時(shí)環(huán)境的，也就是類似 java 那樣的虛擬機(jī)。所以目前 C/C++之類的語(yǔ)言還無(wú)法支持這種自動(dòng)垃圾回收的判定算法。
所以說(shuō)了那么多，我們對(duì)于這些程序語(yǔ)言的一個(gè)診斷是：
OC：apple 給它換了腎，但是腎不好，不過(guò)總體無(wú)礙。
java：腎很好啊。
C/C++:沒(méi)有腎的，需要程序員幫他做“腎透析”。
那么像 C/C++這么好的語(yǔ)言，我們能夠給它一個(gè)“腎”，讓它過(guò)上更加健康的生活嗎？
答案是有的。
