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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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