詳談.net中的垃圾回收機制

更新時間：2013年04月16日 17:03:54 作者：

詳談.net中的垃圾回收機制，需要的朋友可以參考一下

1. 自動內(nèi)存管理和GC
　　在原始程序中堆的內(nèi)存分配是這樣的：找到第一個有足夠空間的內(nèi)存地址（沒被占用的），然后將該內(nèi)存分配。當程序不再需要此內(nèi)存中的信息時程序員需要手動將此內(nèi)存釋放。堆的內(nèi)存是公用的，也就是說所有進程都有可能覆蓋另一進程的內(nèi)存內(nèi)容，這就是為什么很多設計不當?shù)某绦蛏踔習尣僮飨到y(tǒng)本身都down掉。我們有時碰到的程序莫名其妙的死掉了（隨機現(xiàn)象），也是因為內(nèi)存管理不當引起的（可能由于本身程序的內(nèi)存問題或是外來程序造成的）。另一個常見的實例就是大家經(jīng)?？吹降挠螒虻腡rainer，他們通過直接修改游戲的內(nèi)存達到"無敵"的效果。明白了這些我們可以想象如果內(nèi)存地址被用混亂了的話會多么危險，我們也可以想象為什么C++程序員（某些）一提起指針就頭疼的原因了。另外，如果程序中的內(nèi)存不被程序員手動釋放的話那么這個內(nèi)存就不會被重新分配，直到電腦重起為止，也就是我們所說的內(nèi)存泄漏。所說的這些是在非托管代碼中，CLR通過AppDomain實現(xiàn)代碼間的隔離避免了這些內(nèi)存管理問題，也就是說一個AppDomain在一般情況下不能讀/寫另一AppDomain的內(nèi)存。托管內(nèi)存釋放就由GC（Garbage Collector）來負責。我們要進一步講述的就是這個GC，但是在這之前要先講一下托管代碼中內(nèi)存的分配，托管堆中內(nèi)存的分配是順序的，也就是說一個挨著一個的分配。這樣內(nèi)存分配的速度就要比原始程序高，但是高出的速度會被GC找回去。為什么？看過GC的工作方式后你就會知道答案了。
2. GC工作方式
　　首先我們要知道托管代碼中的對象什么時候回收我們管不了（除非用GC.Collect**GC回收，這不推薦，后面會說明為什么）。GC會在它"高興"的時候執(zhí)行一次回收（這有許多原因，比如內(nèi)存不夠用時。這樣做是為了提高內(nèi)存分配、回收的效率）。那么如果我們用Destructor呢？同樣不行，因為.NET中Destructor的概念已經(jīng)不存在了，它變成了Finalizer，這會在后面講到。目前請記住一個對象只有在沒有任何引用的情況下才能夠被回收。為了說明這一點請看下面這一段代碼：

復制代碼代碼如下:

view sourceprint?object objA = new object();  
object objB = objA;  
objA = null;  
// **回收。  
GC.Collect();  
objB.ToString(); 

　　這里objA引用的對象并沒有被回收，因為這個對象還有另一個引用，ObjB。對象在沒有任何引用后就有條件被回收了。
　　當GC回收時，它會做以下幾步：
　　1、確定對象沒有任何引用。
　　2、檢查對象是否在Finalizer表上有記錄。如果在Finalizer表上有記錄，那么將記錄移到另外的一張表上，在這里我們叫它Finalizer2。如果不在Finalizer2表上有記錄，那么釋放內(nèi)存。在Finalizer2表上的對象的Finalizer會在另外一個low priority的線程上執(zhí)行后從表上刪除。當對象被創(chuàng)建時GC會檢查對象是否有Finalizer，如果有就會在Finalizer表中添加紀錄。我們這里所說的記錄其實就是指針。如果仔細看這幾個步驟，我們就會發(fā)現(xiàn)有Finalizer的對象第一次不會被回收，也就是，有Finalizer的對象要一次以上的Collect操作才會被回收，這樣就要慢一步，所以作者推薦除非是絕對需要不要創(chuàng)建Finalizer。
　　GC為了提高回收的效率使用了Generation的概念，原理是這樣的，第一次回收之前創(chuàng)建的對象屬于Generation 0，之后，每次回收時這個Generation的號碼就會向后挪一，也就是說，第二次回收時原來的Generation 0變成了Generation 1，而在第一次回收后和第二次回收前創(chuàng)建的對象將屬于Generation 0。GC會先試著在屬于Generation 0的對象中回收，因為這些是最新的，所以最有可能會被回收，比如一些函數(shù)中的局部變量在退出函數(shù)時就沒有引用了（可被回收）。如果在Generation 0中回收了足夠的內(nèi)存，那么GC就不會再接著回收了，如果回收的還不夠，那么GC就試著在Generation 1中回收，如果還不夠就在Generation 2中回收，以此類推。Generation也有個最大限制，根據(jù)Framework版本而定，可以用GC.MaxGeneration獲得。在回收了內(nèi)存之后GC會重新排整內(nèi)存，讓數(shù)據(jù)間沒有空格，這樣是因為CLR順序分配內(nèi)存，所以內(nèi)存之間不能有空著的內(nèi)存?，F(xiàn)在我們知道每次回收時都會浪費一定的CPU時間，這就是我說的一般不要手動GC.Collect的原因。
　　當我們用Destructor的語法時，編譯器會自動將它寫為protected virtual void Finalize()，這個方法就是我所說的Finalizer。就象它的名字所說，它用來結束某些事物，不是用來摧毀（Destruct）事物。在Visual Basic中它就是以Finalize方法的形式出現(xiàn)的，所以Visual Basic程序員就不用操心了。C#程序員得用Destructor的語法寫Finalizer，不過千萬不要弄混了，.NET中已經(jīng)沒有Destructor了。C++中我們可以準確的知道什么時候會執(zhí)行Destructor，不過在.NET中我們不能知道什么時候會執(zhí)行Finalizer，因為它是在第一次對象回收操作后才執(zhí)行的。我們也不能知道Finalizer的執(zhí)行順序，也就是說同樣的情況下，A的Finalize可能先被執(zhí)行，B的后執(zhí)行，也可能A的后執(zhí)行而B的先執(zhí)行。也就是說，在Finalizer中我們的代碼不能有任何的時間邏輯。下面我們以計算一個類有多少個實例為示例，指出Finalizer與Destructor的不同并指出在Finalizer中有時間邏輯的錯誤：

復制代碼代碼如下:

view sourceprint?public class CountObject {  
  public static int Count = 0;  
  public CountObject() {  
    Count++;  
  }  
  ~CountObject() {  
    Count--;  
  }  
}  
static void Main() {  
  CountObject obj;  
  for (int i = 0; i < 5; i++) {  
    obj = null; // 這一步多余，這么寫只是為了更清晰些！  
   obj = new CountObject();  
  }  
  // Count不會是1，因為Finalizer不會馬上被觸發(fā)，要等到有一次回收操作后才會被觸發(fā)。  
  Console.WriteLine(CountObject.Count);  
  Console.ReadLine();  
} 

　　注意以上代碼要是改用C++寫的話會發(fā)生內(nèi)存泄漏，因為我們沒有用delete操作符手動清理內(nèi)存，但是在托管代碼中卻不會發(fā)生內(nèi)存泄漏，因為GC會自動檢測沒有引用了的對象并回收。這里作者推薦你只在實現(xiàn)IDisposable接口時配合使用Finalizer，在其他的情況下不要使用（可能會有特殊情況）。
3. 對象的復活
　　什么？回收的對象也可以"復活"嗎？沒錯，雖然這么說的定義不準確。讓我們先來看一段代碼：

復制代碼代碼如下:

view sourceprint?public class Resurrection {  
  public int Data;  
  public Resurrection(int data) {  
    this.Data = data;  
  }  
  ~Resurrection() {  
    Main.Instance = this;  
  }  
}  
public class Main {  
  public static Resurrection Instance;  
  public static void Main() {  
    Instance = new Resurrection(1);  
    Instance = null;  
    GC.Collect();  
    GC.WaitForPendingFinalizers();  
    // 看到了嗎，在這里“復活”了。  
    Console.WriteLine(Instance.Data);  
    Instance = null;  
    GC.Collect();  
    Console.ReadLine();  
  }  
} 

　　你可能會問："既然這個對象能復活，那么這個對象在程序結束后會被回收嗎？"。會，"為什么？"。讓我們按照GC的工作方式走一遍你就明白是怎么回事了。
　　1、執(zhí)行Collect。檢查引用。沒問題，對象已經(jīng)沒有引用了。
　　2、創(chuàng)建新實例時已經(jīng)在Finalizer表上作了紀錄，所以我們檢查到了對象有Finalizer。
　　3、因為查到了Finalizer，所以將記錄移到Finalizer2表上。
　　4、在Finalizer2表上有記錄，所以不釋放內(nèi)存。
　　5、Collect執(zhí)行完畢。這時我們用了GC.WaitForPendingFinalizers，所以我們將等待所有Finalizer2表上的Finalizers的執(zhí)行。
　　6、Finalizer執(zhí)行后我們的Instance就又引用了我們的對象。（復活了）
　　7、再一次去除所有的引用。
　　8、執(zhí)行Collect。檢查引用。沒問題。
　　9、由于上次已經(jīng)將記錄從Finalizer表刪除，所以這次沒有查到對象有Finalizer。
　　10、在Finalizer2表上也不存在，所以對象的內(nèi)存被釋放了。
　　非托管資源的釋放到現(xiàn)在為止，我們說了托管內(nèi)存的管理，那么當我們利用如數(shù)據(jù)庫、文件等非托管資源時呢？這時我們就要用到.NET Framework中的標準：IDisposable接口。按照標準，所有有需要手動釋放非托管資源的類都得實現(xiàn)此接口。這個接口只有一個方法，Dispose()，不過有相對的Guidelines指示如何實現(xiàn)此接口，在這里我向大家說一說。實現(xiàn)IDisposable這個接口的類需要有這樣的結構：

復制代碼代碼如下:

view sourceprint?public class Base : IDisposable {  
  public void Dispose() {  
    this.Dispose(true);  
    GC.SupressFinalize(this);  
  }  
  protected virtual void Dispose(bool disposing) {  
    if (disposing) {  
      // 托管類  
    }  
    // 非托管資源釋放  
  }  
  ~Base() {  
    this.Dispose(false);  
  }  
}  
public class Derive : Base {  
  protected override void Dispose(bool disposing) {  
    if (disposing) {  
      // 托管類  
    }  
    // 非托管資源釋放  
    base.Dispose(disposing);  
  }  
} 

　　為什么要這樣設計呢？讓我在后面解說一下。現(xiàn)在我們講講實現(xiàn)這個Dispose方法的幾個準則：它不能扔出任何錯誤，重復的調(diào)用也不能扔出錯誤。也就是說，如果我已經(jīng)調(diào)用了一個對象的Dispose，當我第二次調(diào)用Dispose的時候程序不應該出錯，簡單地說程序在第二次調(diào)用Dispose時不會做任何事。這些可以通過一個flag或多重if判斷實現(xiàn)。一個對象的Dispose要做到釋放這個對象的所有資源。拿一個繼承類為例，繼承類中用到了非托管資源所以它實現(xiàn)了IDisposable接口，如果繼承類的基類也用到了非托管資源那么基類也得被釋放，基類的資源如何在繼承類中釋放呢？當然是通過一個virtual/Overridable方法了，這樣我們能保證每個Dispose都被調(diào)用到。這就是為什么我們的設計有一個virtual/Overridable的Dispose方法。注意我們首先要釋放繼承類的資源然后再釋放基類的資源。因為非托管資源一定要被保障正確釋放所以我們要定義一個Finalizer來避免程序員忘了調(diào)用Dispose的情況。上面的設計就采用了這種形式。如果我們手動調(diào)用Dispose方法就沒有必要再保留Finalizer了，所以在Dispose中我們用了GC.SupressFinalize將對象從Finalizer表去掉，這樣再回收時速度會更快。那么那個disposing和"托管類"是怎么回事呢？是這樣：在"托管類"中寫所有你想在調(diào)用Dispose時讓其處于可釋放狀態(tài)的托管代碼。還記得我們說過我們不知道托管代碼是什么時候釋放的嗎？在這里我們只是去掉成員對象的引用讓它處于可被回收狀態(tài)，并不是直接釋放內(nèi)存。在"托管類"中這里我們也要寫上所有實現(xiàn)了IDisposable的成員對象，因為他們也有Dispose，所以也需要在對象的Dispose中調(diào)用他們的Dispose，這樣才能保證第二個準則。disposing是為了區(qū)分Dispose的調(diào)用方法，如果我們手動調(diào)用那么為了第二個準則"托管類"部分當然得執(zhí)行，但如果是Finalizer調(diào)用的Dispose，這時候?qū)ο笠呀?jīng)沒有任何引用，也就是說對象的成員自然也就不存在了（無引用），也就沒有必要執(zhí)行"托管類"部分了，因為他們已經(jīng)處于可被回收狀態(tài)了。好了，這就是IDisposable接口的全部了。現(xiàn)在讓我們來回想一下，以前我們可能認為有了Dispose內(nèi)存就會馬上被釋放，這是錯誤的。只有非托管內(nèi)存才會被馬上釋放，托管內(nèi)存的釋放由GC管理，我們不用管。
4. 弱引用的使用
　　 A = B，我們稱這樣的引用叫做強引用，GC就是通過檢查強引用來決定一個對象是否是可以回收的。另外還有一種引用稱作弱引用（WeakReference），這種引用不影響GC回收，這就是它的用處所在。你會問到底有什么用處?，F(xiàn)在我們來假設我們有一個很胖的對象，也就是說它占用很多內(nèi)存。我們用過了這個對象，打算將它的引用去掉好讓GC可以回收內(nèi)存，但是功夫不大我們又需要這個對象了，沒辦法，重新創(chuàng)建實例，怎么創(chuàng)建這么慢啊？有什么辦法解決這樣的問題？有，將對象留在內(nèi)存中不就快了嘛！不過我們不想這樣胖得對象總占著內(nèi)存，而我們也不想總是創(chuàng)建這樣胖的新實例，因為這樣很耗時。那怎么辦……？聰明的朋友一定已經(jīng)猜到了我要說解決方法是弱引用。不錯，就是它。我們可以創(chuàng)建一個這個胖對象的弱引用，這樣在內(nèi)存不夠時GC可以回收，不影響內(nèi)存使用，而在沒有被GC回收前我們還可以再次利用該對象。這里有一個示例：

復制代碼代碼如下:

view sourceprint?public class Fat {  
  public int Data;  
  public Fat(int data) {  
    this.Data = data;  
  }  
}  
public class Main {  
  public static void Main() {  
    Fat oFat = new Fat(1);  
    WeakReference oFatRef = new WeakReference(oFat);  
    // 從這里開始，F(xiàn)at對象可以被回收了。  
    oFat = null;  
    if (oFatRef.IsAlive) {  
      Console.WriteLine(((Fat) oFatRef.Target).Data); // 1  
    }  
    // 強制回收。  
    GC.Collect();  
    Console.WriteLine(oFatRef.IsAlive); // False  
    Console.ReadLine();  
  }  
} 

　　這里我們的Fat其實并不是很胖，但是可以體現(xiàn)示例的本意：如何使用弱引用。那如果Fat有Finalizer呢，會怎樣？如果Fat有Finalizer那么我們可能會用到WeakReference的另一個構造函數(shù)，當中有一參數(shù)叫做TrackResurrection，如果是True，只要Fat的內(nèi)存沒被釋放我們就可以用它，也就是說Fat的Finalizer執(zhí)行后我們還是可以恢復Fat（相當于第一次回收操作后還可恢復Fat）；如果TrackResurrection是False，那么第一次回收操作后就不能恢復Fat對象了。
5. 總結
　　我在這里寫出了正篇文章的要點：
一個對象只當在沒有任何引用的情況下才會被回收。
一個對象的內(nèi)存不是馬上釋放的，GC會在任何時候?qū)⑵浠厥?。一般情況下不要強制回收工作。
如果沒有特殊的需要不要寫Finalizer。
不要在Finalizer中寫一些有時間邏輯的代碼。
在任何有非托管資源或含有Dispose的成員的類中實現(xiàn)IDisposable接口。
按照給出的Dispose設計寫自己的Dispose代碼。
當用胖對象時可以考慮弱引用的使用。

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