一、垃圾回收机制

        虽然智能指针帮助开展者简化了堆内存回收问题，但是它需要开发者显式声明，需要使用时判断等，还是不够便捷。而像java、Python、C#等开发语言直接支持垃圾回收机制。程序开发上，通常会将不再使用或没有任何指针指向的内存空间称为“垃圾”，将这些“垃圾”收集起来再次利用的机制就是“垃圾回收机制”。

        垃圾回收一般采用对象引用计数或对象关系图谱跟踪这两个策略。

        对象引用计数，就是使用系统记录对象被引用（引用、指针）的次数，当对象引用的次数变为0是，该对象内存就被视为“垃圾”而回收。使用引用计数的优点就是实现简单，计数的增减与对象使用紧密结合，不会造成程序暂停，也不会对系统缓存或交换内存造成冲击，“副作用”较少。但缺点就比较难处理“环形引用”的问题，另外每个对象内存管理都引入计数，还是有不少额外内存开销。

        对象关系跟踪处理，通过跟踪对象内存使用的关系图，通过标记-清除，标记-整理，标记拷贝等垃圾回收算法来实现垃圾内存回收。

        标记-清除，分为标记阶段和清扫阶段。主要工作是在标记阶段，将程序中正使用的对象视为"根对象"，从根对象开始查找他们所引用的堆空间，斌在这些堆空间做标记，当标记结束后，所有被标记的对象为可达对象或者活对象，而没有被标记的对象被认为是“垃圾”，这些垃圾在清扫阶段就会被回收，清扫过后，会出现内存碎片问题。

        标记-整理，和标记-清除类似，只是在标记完成之后，不再变量所有对象执行清扫，而是将活对象向“左”靠齐重新整理，解决垃圾回收和内存碎片问题。但是由于移动了活的对象操作，因此会造成堆对象引用的更新。

        标记-拷贝，该算法会将堆空间划分为from、to两部分，系统只从from部分分配内存，当from部分分配满时，就开始垃圾回收：在from堆空间查找出所有活对象，并拷贝到to堆空间内及紧凑排列。然后将from整个空间清除，最后交换from和to空间角色，即from空间变为to空间，to空间为from空间，系统从新的from空间分配内存。这个算法会造成堆内存利用率只有一半。

二、c++最小垃圾回收支持

        2.1 最小垃圾回收支持由来

        c/c++一些第三方的库已经支持标记-清除方法的垃圾回收，比如一个比较著名的C/C++垃圾回收库-Boehm。该垃圾回收器需要程序员使用库中的堆内存分配函数显式地替代 malloc，继而将堆内存的管理交给垃圾回收器来完成垃圾回收。不过由于C/C++中指针类型的使用非常灵活，这样的库在实际使用中会有一些限制，可移植性也不好。

        为了解决垃圾回收中的安全性和可移植性问题，在2007年，惠普的Hans-J.Bochm （Boehm的作者）和赛门铁克的Mike Spertus共同向C++委员会递交了一个关于C++中垃圾回收的提案。该提案通过添加 gc_forbidden、gc_relaxed、gc_required、gc_safe、gc_strict 等关键字来支持C++语言中的垃圾回收。该提案甚至可以让程序员显式地要求垃圾回收。刚开始这得到了大多数委员的支持，后来却在标准的初稿中删除了，原因是该特性过于复杂，并且还存在一些问题（比如与显式调用析构函数的现有的库的兼容问题等）。所以，Boehm和Spertus对初稿进行了简化，仅仅保留了支持垃圾回收的最基本的部分，即通过对语言的约束，来保证安全的垃圾回收。这也是我们现在看到的C++11标准中的“最小垃圾回收支持”的历史来由。

        2.2 c++11标准的最小垃圾回收支持试水

        c++11标准做了最小垃圾回收支持，即设计了安全派生指针，支持以下操作：

• 在解引用基础上的引用，例如:&*p。
• 定义明确的指针操作，例如:p+1。
• 定义明确的指针转换，例如:static_cast<void*>(p)。
• 指针与整型之间的reinterpret_cast转移，例如:reinterpret_cast<long long>(p)。

        除了智能指针及上述操作支持外，c++11标准在头文件 <memory>还提供了垃圾收集相关函数支持，但又在新的c++23标准中移除：

//(C++11)(C++23 中移除)
/*
*声明一个对象不能被回收:声明 p 所引用的对象可抵达。可抵达对象将不为垃圾收集器删除，
*或不被泄漏检测器认为是泄露，即使所有指向它的指针都被销毁。对象可以声明为多次可抵达，
*该情况下会需要多次调用 *std::undeclare_reachable 以移除此属性。
*/
void declare_reachable( void* p );    
/*
*声明一个对象可以被回收:移除指针p所引用对象的可抵达状态，若先前为std::declare_reachable所设。
*若多次声明对象为可抵达，则需要相等次数的到 undeclare_reachable 的调用移除此属性。
*一旦对象不再声明为可抵达，且没有指针引用它，则它可能为垃圾收集器所回收，
*或被泄露检测器报告为泄露。
*/               
template< class T > T* undeclare_reachable( T* p ); 

/*
*告诉垃圾收集器或泄漏检测器，指定的内存区域（从 p 所指向的字节开始的 n 个字节）不含可追踪指针。
*若区域的任何部分在分配的对象内，则同一对象中必须含有整个区域
*/
void declare_no_pointers( char *p, std::size_t n );  
/*解除先前注册std::declare_no_pointers 的效果。*/
void undeclare_no_pointers( char *p, std::size_t n );//(函数)   
   
/*列出指针安全模式(枚举)*/
enum class pointer_safety { relaxed, preferred, strict};
/*返回当前的指针安全模式，即获得实现定义的指针安全模式，它是 std::pointer_safety 类型的值。*/       
std::pointer_safety get_pointer_safety() noexcept;

        在C++11的规则中，最小垃圾回收支持是基于安全派生指针这个概念的。程序员可以通过get_pointer_safety函数查询来确认编译器是否支持这个特性。get_pointer_safety的原型如下：
pointer_safety get_pointer_safety() noexcept其返回一个 pointer_safety 类型的值。如果该值为 pointer_safety::strict，则表明编译器支持最小垃圾回收及安全派生指针等相关概念，如果该值为 pointer_safety:relax 或是 pointer_safety:preferred，则表明编译器并不支持，基本上跟没有垃圾回收的C和C++98一样。不过按照一些解释，pointer_safety:preferred和pointer_safety:relax也略有不同，前者垃圾回收器可能被用作一些辅助功能，如内存泄露检测或检测对象是否被一个错误的指针解引用（事实上，几乎没有编译器实现了最小垃圾回收支持，甚至连get_pointer_safety 这个函数接口都还没实现）。
        此外，如果编译器支持到最小垃圾回收支持的话，程序员在代码中出现了指针不安全使用的状况，C++11允许程序员通过一些API来通知垃圾回收器不得回收该内存。C++11的最小垃圾回收支持使用了垃圾回收的术语，即需声明该内存为“可到达”的。

void declare_reachable( void* p );
template <class T>T *undeclare_reachable(T *p) noexcept;

        declare_reachable()显式地通知垃圾回收器某一个对象应被认为可达的，即使它的所有指针都对回收器不可见。undeclare_reachable（）则可以取消这种可达声明。

#include <iostream>
#include <memory>

using namespace std;
void func1(void)
{
    int *pi = new int(1);
    declare_reachable(pi);  //在pi被隐藏前声明为可达的
    int *qi = (int*)((long long)pi^2023);
    cout << "*pi  = " << *pi << "\n";
    cout << "*qi  = " << *qi << "\n";
    //解除可达声明
    qi = undeclare_reachable<int>((int*)((long long)qi^2023));
    *pi = 11;
    cout << "*pi  = " << *pi << "\n";
    cout << "*qi  = " << *qi << "\n";
    *qi = 22;
    cout << "*pi  = " << *pi << "\n";
    cout << "*qi  = " << *qi << "\n";
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    func1();
    return 0;
}
//out log
*pi  = 1
*qi  = 538976288    //随机
*pi  = 11
*qi  = 11
*pi  = 22
*qi  = 22

        上述代码是一个能够运行的例子。这里，我们在p指针被不安全派生（隐藏）之前使用declare reachable 声明其是可达的。这样一来，它会被垃圾回收器忽略而不会被回收。而在我们通过可逆的异或运算使得q指针指向p所指对象时，我们则使用了undeclare reachable来取消可达声明。注意undeclare reachable不是通知垃圾回收器 p所指对象已经可以回收。实际上，declare reachable和undeclare_reachable只是确立了一个代码范围，即在两者之间的代码运行中，p所指对象不会被垃圾回收器所回收。
        declare_reachable只需要传入一个简单的void*指针，但undeclare reachable却被设计为一个函数模板。这是一个极不对称的设计。但事实上undeclare_reachable使用模板的主要目的是为了返回合适类型以供程序使用。而垃圾回收器本来就知道指针所指向的内存的大小，因此 declare reachable 传入 void*指针就已经足够了。
        有的时候程序员会选择在一大片连续的堆内存上进行指针式操作，为了让垃圾回收器不关心该区域，也可以使用declare_no_pointers 及undeclare_no_pointers 函数来告诉垃圾回收器该内存区域不存在有效的指针。

void declare_no_pointers(char *p,size_t n) noexcept;
void undeclare_no_pointers(char *p, size_t n) noexcept;

        其使用方式与declare_reachable及undeclare_reachable类似，不过指定的是从p开始的连续n的内存。

        此外，C++11标准中对指针的垃圾回收支持仅限于系统提供的new 操作符分配的内存，而 malloc分配的内存则会被认为总是可达的，即无论何时垃圾回收器都不予回收。因此使用malloc等的较老代码的堆内存还是必须由程序员自己控制。

        2.3 基于boost::pool的垃圾回收机制

        Pool库 的作者是 Steve Cleary，boost::pool库提供了一个内存池分配器，它是一个工具，用于管理在一个独立的、大的分配空间里的动态内存。当你需要分配和回收许多不的对象或需要更高效的内存控制时，使用内存池是一个好的解决方案。

        boost::pool每次向系统申请一大块内存，然后分成同样大小的多个小块，形成链表连接起来。每次分配的时候，从链表中取出头上一块，提供给用户。链表为空的时候，pool继续向系统申请大块内存。

        另外还有在此基础上提供的boost::object_pool，它与boost::pool的区别在于pool需要指定每次分配的块的大小，object_pool需要指定每次分配的对象的类型。

         要注意的是，boost::pool库虽然可以按开发者意愿实现垃圾自动回收或主动回收，但它本质上不是一种通用的垃圾回收机制，仅是对象管理库。