如何在 C 中实现引用计数？答案

【问题标题】：How to implement Reference counting in C?如何在 C 中实现引用计数？
【发布时间】：2012-05-15 20:56:09
【问题描述】：

阅读它here。

我需要实现这样一个接口的变体，假设我们有很大的内存空间来管理应该有 getmem(size) 和 free(pointer to block) 函数必须确保 free(pointer to block)当且仅当所有使用该块的进程都使用它时，才能真正释放内存。

我正在考虑做的是将Collectable 结构定义为指向块的指针，它的大小以及使用它的进程计数。然后，每当一个进程第一次使用 Collectable 结构实例时，它必须显式增加计数，并且每当进程 free() 使用它时，计数就会减少。

这种方法的问题是所有进程都必须响应该接口并使其显式工作：每当将可收集指针分配给实例时，该进程必须显式地包含该计数器，这不满足我，我在想也许有一种方法来创建一个宏以在每个分配中隐含地发生这种情况？

我正在寻找解决这个问题的方法一段时间，所以其他方法和想法会很棒......

编辑： 上述方法不能满足我，不仅因为它看起来不好看，而且主要是因为我不能假设正在运行的进程的代码会关心更新我的计数。我需要一种方法来确保它在不更改进程代码的情况下完成......

【问题讨论】：

必须检测每个指针副本这一事实并不是“这种方法的问题”：这是引用计数的基本问题。
我什至不确定你是否可以在 C 中实现引用计数。在 C++ 中，你有构造函数和析构函数，它们允许代码“自动”而不需要程序员额外的努力。
其他语言无关紧要，我对 Java 及其 GC 非常熟悉，所以我知道在这种情况下有更好的语言可以使用，但我的硬件还是要在 C 中实现这个想法。所以不要再给我使用不同的语言参数了。
有人可能会说，Objective C 命名约定加上手动保留/释放调用是在 C 中实现引用计数的一个示例（或非常接近的方法）。
@MikeBantegui：绝对可以，只是需要程序员付出更多的努力。

标签： c memory-management concurrency garbage-collection

【解决方案1】：

引用计数的一个早期问题是，通过将代码放入自定义的 malloc/free 实现中来计算初始引用相对容易，但要确定初始接收者是否将该地址传递给其他人则相当困难.

由于 C 缺乏覆盖赋值运算符（以计算新引用）的能力，基本上你只剩下有限数量的选项。唯一可以覆盖赋值的是 macrodef，因为它能够将赋值重写为内联引用计数值的增量。

所以你需要“扩展”一个看起来像这样的宏

a = b;

进入

if (b is a pointer) { // this might be optional, if lookupReference does this work
  struct ref_record* ref_r = lookupReference(b);
  if (ref_r) {
    ref_r->count++;
  } else {
    // error
  } 
}
a = b;

真正的诀窍是编写一个可以识别赋值的宏，并干净地插入代码而不会引入其他不需要的副作用。由于 macrodef 不是一门完整的语言，您可能会遇到无法匹配的问题。

（关于在学习如何使用锤子的地方看到钉子的笑话在这里有一个有趣的相似之处，除了当你只有一把锤子时，你最好学习如何把所有东西都做成钉子）。

其他选项（也许更理智，也许不是）是跟踪 malloc 分配的所有地址值，然后扫描程序的堆栈和堆以查找匹配的地址。如果匹配，您可能找到了一个有效的指针，或者您可能找到了一个带有运气编码的字符串；但是，如果你不匹配，你当然可以释放地址；只要他们不存储从原始地址计算的地址+偏移量。（也许你可以通过宏定义来检测这样的偏移量，并将偏移量作为多个地址添加到同一块的扫描中）

最后，如果不构建引用系统（在该系统中传递引用（假装地址）），就不会有万无一失的解决方案；隐藏真实地址。这种解决方案的缺点是您必须每次使用库接口来处理地址。这包括数组中的“下一个”元素等。不是很像 C，但很好地近似于 Java 对其引用所做的工作。

【讨论】：

好吧，你说了两件相反的话，一个是没有办法覆盖赋值，第二个是可以通过宏定义来完成......所以？
它们并不是完全相反的陈述。覆盖是一个技术术语，意思是“用非标准实现重新实现标准功能”，而宏定义是一个文本扩展子系统，不会重新实现分配，但如果看到“匹配”，您可以剪切和粘贴代码。然后由您决定是否可以先编写高质量的匹配，然后在“增加引用计数”代码中“剪切和粘贴”。这在理论上是可能的，但是由于 macrodef 的限制，macrodef 是一种非常有限的语言，实际上它可能是不可能的。
在哈希表中查找引用计数不是任何人都可以做到的。正确的方法是将计数包含在结构/缓冲区本身中。
没有正确的方法，只有满足需求的方法。如果您想要“透明自动”垃圾收集，则在结构中公开引用计数会使透明部分失败，并强制编写者在引用捕获和释放后增加该字段。这样的系统能有效吗？是的，它可以！但是，它也可能失败，除非在退出本地块引用之前小心减少计数等。透明自动收集需要其他技术，这些技术很难在纯 C 中实现。
建议的编辑队列已满，嗯？我猜这个“else”缩进也引起了其他几双眼睛......

【解决方案2】：

半认真的回答

#include "Python.h"

Python 有一个很棒的引用计数内存管理器。如果我必须在生产代码中真正做到这一点，而不是家庭作业，我会考虑将 python 对象系统嵌入到我的 C 程序中，这将使我的 C 程序也可以在 python 中编写脚本。有兴趣的可以看the Python C API documentation！

【讨论】：

这个答案指的是 Python C API，这是一个关于这个问题的有趣资源，因为所述 API 包括引用计数的 C“对象”。

【解决方案3】：

这样的 C 语言系统需要程序员的一些纪律，但是 ...

您需要考虑所有权。所有持有引用的事物都是所有者，并且必须跟踪它持有引用的对象，例如通过列表。当一个引用持有的东西被销毁时，它必须循环它的引用对象列表并减少它们的引用计数器，如果为零则依次销毁它们。

函数也是所有者，应该跟踪引用的对象，例如通过在函数开头设置一个列表并在返回时循环遍历它。

因此，您需要确定在哪些情况下对象应该被转移或与新所有者共享，并将相应的情况包装在宏/函数中，这些宏/函数将拥有的对象添加或删除到拥有对象的引用对象列表中（并相应地调整引用计数器)。

最后，您需要通过检查堆栈上的对象/指针不再可访问的对象来以某种方式处理循环引用。这可以通过一些标记和清除垃圾收集机制来完成。

【讨论】：

【解决方案4】：

如果没有可覆盖的析构函数/构造函数，我认为您无法自动执行此操作。您可以查看 HDF5 引用计数，但那些需要在 C 中显式调用：

http://www.hdfgroup.org/HDF5/doc/RM/RM_H5I.html

【讨论】：

但是您究竟为什么建议查看 HDF5？