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目标对象，清除阶段恢复未标记对象；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依次引用，执行mark-sweep流程恢复不目标对象，示例中不可达因无引用被释放，最终对象减一。

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恢复，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。什么是标记清除算法？

标记清除算法是初步的垃圾恢复策略之一，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，遍历所有对象对象，并给它们打上“全年”标记。清除阶段：扫描整个堆内存，恢复对应标记的对象，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。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：一个基本类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（标记位）。提供根集（根集），例如当前活动的指针列表。实现标记阶段：从根开始递归标记所有当前对象。实现扫描阶段：遍历所有对象，删除未标记的。

代码示例：简单的Mark-Sweep GC

下面是一个极简版本的实现框架：#include lt；iostreamgt；#include lt；vectorgt；#include lt；setgt；#include lt；algorithmgt；lt；pgt；class GCObject {public：bool linked；GCObject() ：marked(false) {}virtual ~GCObject() = default；virtual void markChildren() {} //子类重写以标记引用的子对象}；lt；/pgt；lt；pgt；//全局对象池和根集std：：setlt；GCObjectlt；emgt；gt； all_objects；std：：vectorlt；GCObjectlt；/emgt；gt；roots；lt；/pgt；lt；pgt；void gc_mark() {for (auto* obj ： root) {if (obj amp；amp； !obj-gt；标记) {obj-gt；标记 = true；obj-gt；markChildren()；}}}lt；/pgt；lt；pgt；void gc_sweep() {auto it = all_objects.begin()；while (it != all_objects.end()) {GCObjectlt；emgt； obj = lt；/emgt；it；if (!obj-gt；marked) {it = all_objects.erase(it)；删除 obj； //实际上恢复} else {obj-gt；marked = false； // 重置标记供下次使用；}}}lt；/pgt；lt；pgt；void Garbage_collect() {std：：cout lt；lt； quot；垃圾开始恢复...\nquot；；gc_mark()；gc_sweep()；std：：cout lt；lt； quot；垃圾恢复完成。

\nquot；；}lt；/pgt；lt；pgt；// 示例：一个持有其他对象引用的类 ListObject ： public GCObject {public：std：：vectorlt；GCObject*gt； elements；lt；/pgt；lt；pre class=quot；brush：php；toolbar：false；quot；gt；lt；pre class=quot；brush：php；toolbar：false；quot；gt；void markChildren() override { for (auto* elem ： elements) { if (elem amp；amp； !elem-gt；marked) { elem-gt；marked = true； elem-gt；markChildren()； } }}void add(GCObject* obj) { elements.push_back(obj)；}登录后复制

}； 腾讯Effidit

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// 辅助函数：注册新对象templatelt；typename Tgt；T new_object() {T obj = new T()；all_objects.insert(obj)；return obj；}

//添加根铲 void Push_root(GCObject* obj) {roots.push_back(obj)；}

void pop_root() {if (!roots.empty()) root.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_objectlt；ListObjectgt；()； push_root(root_list)；lt；pre class=quot；b

rush：php；toolbar：false；quot；gt；lt；pre class=quot；brush：php；toolbar：false；quot；gt；//添加子对象GCObject* child1 = new_objectlt；GCObjectgt；()；GCObject* child2 = new_objectlt；GCObjectgt；()；root_list-gt；add(child1)；root_list-gt；add(child2)；//重新创建一个不对象对象GCObject* unreachable = new_objectlt；GCObjectgt；()；std：：cout lt；lt；quot；总对象数：quot；lt；lt；all_objects.size()lt；lt；quot；\nquot；；//执行GCgarbage_collect()；std：：coutlt；lt；quot；GC后剩余对象数：quot；lt；lt；all_objects.size()lt；lt； quot；\nquot；；//清理根pop_root()；return 0；登录后复制

}

输出为：总对象数：4开始垃圾恢复...垃圾恢复完成。GC后残余对象数：3登录后复制

其中无法到达没有被任何根或子对象引用，因此被恢复。注意事项与约束需要手动管理根集：对接必须无法确保主动指针正确添加到根中。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没有机制引用，无法自动识别成员中的指针。

若要更进一步，尽管结合std：：shared_ptr std：：weak_ptr来避免循环引用，但属于半自动方式，不是真正意义上的GC总结。

C 不内置垃圾回收，但通过统一继承基类、维护对象池和根集，可以实现一个基本的标记-清除恢复器。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“针对性”概念，并在适当的时机触发恢复。

基本上就这些，不复杂但很容易忽略的细节。

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