既然引用计数在做 GC 时有性能问题，为什么智能指针会广泛应用它？

这个问题触及到了智能指针设计中一个非常核心的权衡点，也是许多开发者在深入理解智能指针时常常感到困惑的地方。简单地说，智能指针的广泛应用并非因为它完全没有性能问题，而是因为它在绝大多数实际场景下，引用计数带来的性能开销是可接受的，并且这种开销是可预测、易于管理的，远比手动内存管理带来的“惊喜”要少得多。

让我们把这个问题拆开来看，详细剖析一下。

为什么说引用计数在做 GC 时有性能问题？

首先，我们得理解“GC”和“引用计数”在这里的区别和联系。

垃圾回收 (GC) 是一个广义的概念，指的是自动管理内存的技术。它寻找不再被程序使用的内存并释放它们。很多GC算法，比如标记清除、复制、分代回收等，都依赖于某种机制来识别“垃圾”。
引用计数是一种垃圾回收的策略或技术。它通过为每个对象维护一个计数器，记录有多少个“事物”引用了它。当计数器归零时，就意味着该对象不再被使用，可以被安全地释放了。

那么，引用计数在GC时的“性能问题”主要体现在哪些方面？

1. 计数器的更新开销:
增加引用: 每次创建一个新的引用指向一个对象（比如将对象赋值给另一个智能指针变量，或者传递给函数），对象的引用计数就需要加一。
减少引用: 每次一个引用不再指向对象（比如智能指针变量离开作用域被销毁，或者被赋值为新的对象），对象的引用计数就需要减一。
问题所在: 这些加一减一的操作虽然在单次看来非常快（通常是原子操作，在多线程环境下更是如此），但当应用程序中有大量的对象创建、销毁和赋值操作时，这些微小的开销会累积起来，成为一个不容忽视的性能负担。尤其是在高频率的对象生命周期管理场景下，这部分开销会显著影响程序的整体吞吐量。

2. 循环引用的问题:
这是引用计数最致命的缺点。如果两个或多个对象互相引用，即使它们都不再被程序的其他部分访问，它们的引用计数也不会变成零，导致它们永远不会被释放，形成“内存泄漏”。
举例: 对象 A 持有对象 B 的指针，同时对象 B 也持有对象 A 的指针。当外部不再有对 A 或 B 的引用时，A 的计数器不会归零（因为 B 还在引用它），B 的计数器也不会归零（因为 A 还在引用它）。结果就是内存永远无法释放。
后果: 这种情况在复杂的对象图中很常见，尤其是在没有仔细设计的情况下。虽然可以通过弱引用等机制来缓解，但这增加了设计的复杂性和代码的维护难度。

3. 多线程环境下的原子操作开销:
在多线程环境中，多个线程可能同时访问和修改同一个对象的引用计数。为了保证计数器的正确性，每次增减操作都必须是原子操作（atomic operation）。
问题所在: 原子操作通常比非原子操作要慢。它需要硬件级别的支持，并且可能涉及到同步原语（如锁），这些都会引入额外的延迟和潜在的锁竞争问题。这意味着在多线程环境下，引用计数的开销会进一步放大。

4. 对象的创建和销毁开销:
每个使用引用计数的智能指针都需要额外分配内存来存储引用计数本身，这增加了每个对象实例的内存占用。
当对象的引用计数归零时，不仅需要释放对象本身，还需要释放存储引用计数的这部分内存。虽然这部分开销也很小，但在海量对象的情况下也会累积。

那么，为什么智能指针（特别是 `shared_ptr`）会广泛应用引用计数呢？

尽管存在上述问题，智能指针（尤其是 C++ 中的 `std::shared_ptr`）之所以广泛应用引用计数，是因为它在工程实践中提供了巨大的便利和安全性，并且其性能开销是可以控制和预测的。

1. 极大的安全性与便捷性替代手动内存管理:
这是最核心的原因。在没有智能指针的时代，C++ 开发者需要手动管理内存（使用 `new` 和 `delete`）。这极其容易出错，导致内存泄漏、野指针访问、重复释放等灾难性的 bug。
引用计数智能指针（如 `shared_ptr`）将内存管理的绝大部分责任从开发者身上转移到了运行时。开发者只需关注对象的生命周期，而无需担心何时何地释放内存。这种安全性的提升是巨大的，显著降低了开发难度和代码维护成本，减少了绝大多数内存相关的 bug。
在一个大型、复杂的 C++ 项目中，能够自动化大部分内存管理，其带来的益处远远超过了引用计数本身的性能开销。

2. 可预测的性能开销:
虽然有开销，但引用计数的开销是相对可预测和离散的。它主要发生在对象的创建（引用计数加一）和销毁（引用计数减一）时。在程序的大部分“稳定运行”阶段，如果引用数量稳定，则几乎没有额外的性能负担。
这与某些全局性的、难以预测的 GC（如某些 JVM 中的标记清除算法）可能带来的“GC 暂停”不同。引用计数的开销是局部的，而且通常很小。

3. 支持共享所有权:
在许多复杂的软件设计中，一个对象可能被多个不同的组件或模块共享所有权。例如，一个配置对象可能被多个服务使用，直到所有服务都不再需要它时才应该被销毁。
引用计数提供了处理这种共享所有权场景的自然而优雅的方式。每个组件都可以创建一个 `shared_ptr`，而无需担心其他组件何时释放。

4. 与其他 GC 策略的权衡:
相比于标记清除或复制等完全由 GC 线程/机制管理内存的方式，引用计数有其优势。它不需要全局性的扫描和暂停，可以更好地与实时性要求较高的场景结合。虽然有原子操作的开销，但通常比一次大规模的 GC 暂停要“平滑”得多。
许多 GC 系统会结合多种策略。例如，一些语言的 GC 会使用引用计数作为第一道防线，然后再辅以标记清除来处理循环引用问题。

5. 与 C++ 的兼容性和哲学契合:
C++ 设计哲学强调“你不需要为没用的东西付费”（You don't pay for what you don't use）。`shared_ptr` 的开销（计数器存储、原子操作）只在你实际使用共享所有权时才出现。如果你使用 `unique_ptr`，就没有引用计数的开销。这种灵活性符合 C++ 的设计理念。
`shared_ptr` 是 C++ 标准库的一部分，其接口设计也考虑到了与 C++ 语言特性的兼容性，比如与原始指针的转换、与 STL 容器的配合等。

总结

智能指针（特别是 `shared_ptr`）之所以广泛应用引用计数，是因为：

它极大地提升了内存管理的安全性与便捷性，显著减少了开发者的负担和潜在的错误。这是其最核心的价值。
其性能开销虽然存在，但在绝大多数情况下是可接受的、可预测的，并且可以被开发者通过良好的设计来管理（例如避免不必要的拷贝）。
它为对象共享所有权提供了简单有效的解决方案，这在现代复杂软件设计中非常常见。

诚然，如果你的应用场景对性能有极致的要求，并且能够完全控制所有对象的生命周期，那么手动内存管理（或 `unique_ptr`）可能更适合。但对于绝大多数的通用软件开发而言，`shared_ptr` 提供的安全性和便利性带来的工程收益，远远超过了引用计数所带来的性能代价。它是一种非常成功的工程折衷。

很多人会强调引用计数的“坏处”，但忽略了它“好”在哪里——好在它解决了手动内存管理这个“巨大无比的坑”。在这个基础之上，才谈得上性能的优化和权衡。引用计数并不是完美的 GC 策略，但它是 C++ 标准库在平衡安全性、易用性和性能时所做的一个优秀选择。

网友意见

简单说，单纯的引用计数做不了GC。这是因为引用计数存在循环引用的问题：比如A引用了B，B又引用了A，当其它对象全部删除了自己对A和B的引用时，A和B会因为彼此引用而永远不能被回收，这就会造成内存泄漏。

如果你想弥补这个缺陷，那么就不得不另外建立一张“网”，通过这个网找到A和B，检测它们是否存在循环引用——甚至于，是否存在A->B->C->D->E->F->A这样的大循环、甚至是否有错综复杂的依赖网问题。

那么，这套补足算法必然是非常低效的：第一，它必须定期执行（如何确定执行时机？）；第二，它必须遍历所有现存对象；第三，它必须执行一套复杂的循环引用发现算法。

换句话说：引用计数不做GC、而是作为某种轻量级的GC代替品时，它是高效的、行为极度可控的；但一旦想基于它做GC，这东西就完蛋了。

而在C++里面，从没有人拿引用计数当GC用。

事实上，当我们费劲巴拉的去“发现循环依赖”时，我们其实就实现了一个mark and sweep或者分代GC方案——于是乎，我们就相当于在一个常规GC之外、额外维护了一套引用计数体系，以实现“资源的即时释放”。

换句话说，并不是“引用计数性能比GC差”，而是“在GC之外额外维护一套引用计数体系就会额外付出很多性能”——再换句话说，为了“资源的即时释放”而在常规GC之外附加一套引用计数系统是得不偿失的。

这就是“引用计数当GC用性能差“的根本原因。

但如果不把引用计数当作GC来用、而是审慎有节制的用于受限场景时，引用计数就是既轻量又及时的完美品——完美到极大的压制了“给C++引入真正的GC”的需求。

当然，你的确可以构造一些特殊场景，让“引用计数”相对于GC算法显得低效。

比如，给一组对象反复addref/release，那么引用计数在每次add/release时都不得不更新ref_count（尤其多线程环境下，每次更新都还伴随着性能消耗严重的加锁操作）；而GC呢，人家可以视若无睹，直到定时时间到，于是stop world并扫描一次——引用计数被指使着做了无数的无用功，而GC仅仅做了一次批量操作，那么性能表现当然会远高于前者。

但这种场景是极其少见的。尤其C++程序员早就习惯了通盘考虑资源的分配/归还操作、加上语言本身区分的比较严格，因此除非刻意攻击，否则引用计数的效率——无论空间还是时间效率——以及各方面的可靠性可控性都是无与伦比的。

不过，在其它语言中，由于GC的存在以及滥用，加上语言本身的限制，无效的引用就会特别多；那么对于无视引用添加/撤销、只会在时间到后算总账的GC，这并不会带来任何负面影响；可一旦用了引用计数，这种语言/语法习惯就会制造出海量的多余引用，就会大量消耗性能。

换句话说，在没有GC、习惯了手动资源分配回收的C++里面，用起来几乎不需要付出什么代价的引用计数是如此优越，以至于都抑制了给它添加GC的需求——引用计数是如此的好用、轻量，我们干嘛要引入一个难以完全控制的GC呢？

但在基于GC构筑的语言里，前面提到过，引用计数本就不能实现GC；哪怕勉强拿它实现了GC，实质上也相当于“GC之外额外加了一套引用计数”——那么对这些已经有了GC的语言，这就相当于把GC的工作通过引用计数分散到程序执行的每时每刻、使得GC执行时可以少检查一些对象：换句话说，付出了很多时间和空间代价，换来了GC执行时工作量的减少。

这在某些情况下的确有奇效。或者说，也可以精心构造一个GC+引用计数相对于GC有利的场景：比如不停的分配和归还新对象，引用计数可以确保这些对象可以第一时间被归还，不会过多占用内存——如果没有引用计数，那么GC执行前就会有海量内存得不到释放、且GC执行时需要遍历海量对象，需要“卡顿”更长时间才能完成释放。

换句话说，GC+引用计数方案有效降低了程序平时的内存空间占用量、降低了GC执行时world stop的必需时长。

但同样的，这种情况也不算多见（比起大量添加删除引用还是更常见一些），在正常场景下是得不偿失的。

最后，总结一下。

引用计数并不是GC；“引用计数实现GC”本质上是给一套常规GC附加了一套引用计数系统，多耗了执行时间，换来的好处却寥寥无几。

引用计数的优点：

低耗
实时归还资源
实现简单

引用计数的缺点：

不是GC
用起来没那么省心，需要自己注意，不能搞出循环引用

GC的优点：

总体效率高
用起来简单：申请资源，使用，然后忘掉就好

GC的缺点：

内存消耗量大，本质上是一种“空间换便利”方案。GC执行前已经不用的对象占有的内存得不到释放，使得程序需要的最小内存常常会达到C/C++的两三倍甚至更高。
GC执行时会造成（可察或不可察的）卡顿，在压力极大时可能意外影响到服务质量
不能实时归还资源，在操作某些需要及时归还的资源（如设备句柄）时必须设置专门的逻辑流程

GC+引用计数的优点：

实时归还资源
GC执行时造成卡顿的可能更低、执行时间更短

GC+引用计数的缺点：

额外消耗高
额外消耗的时间/空间很难被它所节约的空间/时间弥补，尤其是时间，从总量上来说总是比单纯的GC更差

正是因为引用计数的种种优点，C++才选择了它（而不是GC）；这是C系语言一贯的“相信程序员”思想的延续：语言设计者相信他们能用好这个难用的东西、写出效率最高的程序。

而其他程序选择了“尽量降低门槛”，因此才选择了GC，替程序员下了“空间换便利”的决定——对C++程序员来说，这是不可接受的。因为他们常常需要把机器性能挖到极致。

至于GC+引用计数（或者说“引用计数实现GC”）嘛……相对于它带来的一点点好处，付出的代价实在太重，因此几乎没有什么人会选择这个方案。

哪里有说过“引用计数在做 GC 时有性能问题”？

具体是什么性能问题？

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