GC与显式内存管理

C++复兴的话题至今已被鼓吹两年有余，Herb Sutter和Bjarne Stroustrup等大牛们也为C++带来了大步伐的革新。然而，从这两年的效果而言，C++的复兴并没有发生。一方面随着世界经济的动荡，IT行业也出现了一定程度的衰退；另一方面这也是个新兴语言如雨后春笋的时代，尤其是web平台上，CoffeeScript、Dart、TypeScript等，新人阶前花更红。抛开非技术原因不谈，我更有兴趣的是，C++到底能占据多大的性能优势，以实现其复兴，尤其是在内存管理上。

Native复兴论的主要论据一：不断兴起的移动设备性能有限而且电池续航需求高，且硬件难以再现过去20年的高速发展。事实。论据二：GC比显式内存管理占用更多的内存，且在内存不足时会出现性能问题；而C++11已经基本解决内存管理安全问题，所以可以在不引入GC性能开销的条件下实现GC的好处。（注：准确地说，引用计数逻辑上也算一种GC。）

当然，C++是理论上可以做任何极限的优化的，其极限性能必然超过使用GC的语言，所以这里必须退一步，考虑一般情况。因为若要复兴，必然需要能够吸引占多数的一般应用的开发者。在移动设备上，GC确实远比桌面系统上的差，垃圾回收的开销往往很大，可以导致零点几秒的阻塞，这对游戏这样有实时性需求的应用来说，是个大问题；对非实时但有UI交互操作的应用，也会影响界面响应的平滑度。为了减少回收的开销，又必然占用更多的内存以便延迟回收减少阻塞，而占用更多的内存也可能导致更高的cache miss率。这样，一个使用GC的语言，往往要使用3倍或更多的内存，而又面对内存并不丰富的移动设备。这看起来确实是C++能完胜的地方。

而事实上，市场上并不乏使用Java、C#乃至JavaScript、Lua开发的移动设备实时应用。它们绕过GC性能问题的方法也和C++一样，做显式内存管理。用GC的语言做显式内存管理听起来有点怪，但其实多数也是C++里常用的方法，比如启动时预先分配对象内存，利用数组预留内存、实现复杂数据结构（当年写过Basic程序的人应该没少做这个）等，以便减少运行时动态内存分配。唯一做不了的就是C/C++的自定义内存分配器。事实上，在游戏领域，自定义内存管理是很普遍的事，C++的堆分配开销相对实时需求往往还是有些偏大，而且还有内存碎片问题，在后期优化阶段，多数会被替换成预分配的大块内存。

因此，我倾向于认为C++有优势但对一般应用而言并非有绝对优势，C++的优势领域和以前相比并没有太大的不同。对于GC的语言，在必要时，也是可以做显式内存管理的。

附一、C++11的unque_ptr、shared_ptr性能讨论：使用这些智能指针对象并非没有GC开销。首先，对象的析构函数调用要引发成员智能指针的析构，对于大的对象结构，这相当于一次树的遍历。其次，unque_ptr、shared_ptr是线程安全的，这是一个非常好的特性的同时，也是需要一定的实现代价的。尽管它们是用远比锁高效的原子操作实现的，但原子操作仍然意味着不能缓存在寄存器，而且写操作时会flush cache（数百时钟周期的开销），所以它们应被用来管理对象的ownership，而对不涉及ownership的参数传递等，直接用简单的对象指针就好。

类似的，Windows上COM对象指针的传递，按规则，所有的参数、返回值传递都要加减引用计数。这个尽管并非使用原子操作、并非线程安全，仍然导致很多冗余的引用计数操作。所以D3D10开始使用了非标准的COM用法，以减少不必要的引用计数。

附二、GC语言上连续内存分配的讨论：说到预分配大块连续内存，通常会最先想到struct array。这个.NET里还有的用，但Java、JavaScript、Lua等就不支持了。用class也能做到预分配内存，但不是连续空间，cache miss率明显大于struct。尽管如此，它们都支持primitive类型的连续内存数组，而且primitive的数组才是性能最佳的数据结构。也就是说，内存不按对象分配而按属性分配，使用position = new float[n * 3], velocity = new float[n]，而不是class Bullet { float3 position; float velocity; } bullets = new Bullet[n]。这样各个属性值的内存布局更加紧凑，由于一般一个函数只会访问对象的少数属性，这样紧凑的布局会大幅提高cache的命中率。当然，也不是说非得用primitive不可，比如.NET用struct的话，可以让position变成struct float3的数组，更易读易用一些。

习惯于教科书式OO的人对这么设计数据结构可能会感到不舒服，因为这似乎破坏了OO。但我认为，这只是实现细节，并不影响外部把它封装成对象的集合。也可以换个角度看，这只是另一种OO的设计，只不过是以属性集合作为对象而已。类似方案也早就出现在Ogre 2.0草案里，以缩小其和商用图形引擎的性能差距。

最后还要强调一下，这毕竟是在“fight the language”，并不是个简单的日常使用的设计，切莫过度使用。在性能可接受的条件下，可维护性优先。

附三、GC的性能特征：GC的性能特征随GC的类型不同而不同。如今主流多是Mark and Copy类的，其特点是对生命期超长（比如从程序启动到退出）的对象和生命期超短（比如仅限一个函数调用内部）的对象最高效，几乎没什么开销。尽量避免finalizer，有finalizer的对象的回收代价很大，必须要用的，要用Dispose等显式释放。回收时堆扫描的性能和对象数量相关，就是说对中、长生命期的对象而言，少量大数组对象远比大量小对象高效。