.NET的堆和栈04,对托管和非托管资源的垃圾回收以及内存分配

在" .NET的堆和栈01,基本概念、值类型内存分配"中，了解了"堆"和"栈"的基本概念，以及值类型的内存分配。我们知道：当执行一个方法的时候，值类型实例会在"栈"上分配内存，而引用类型实例会在"堆"上分配内存，当方法执行完毕，"栈"上的实例由操作系统自动释放，"堆"上的实例由.NET Framework的GC进行回收。

在" .NET的堆和栈02,值类型和引用类型参数传递以及内存分配"中，我们了解了值类型参数和引用类型参数在传递时的内存分配情况。

在" .NET的堆和栈03,引用类型对象拷贝以及内存分配"中，我们了解了在拷贝引用类型对象时的内存分配情况。

而本篇的重点要放在：对托管和非托管资源的垃圾回收、处理以及内存分配情况。

主要包括：
■ 什么样的对象被GC认为是垃圾？
■ GC如何回收？
    □ GC对托管堆中对象的回收
    □ GC对非托管堆中对象的回收、处理
        ※ 对资源的回收
            ○ 通过析构函数回收
            ○ 通过实现IDisposable接口回收
        ※ 对静态值类型变量的处理
        ※ 对静态引用类型变量的处理
■ GC何时回收？
■ GC回收之后，又执行哪些操作？

什么样的对象被GC认为是垃圾？

当托管堆中的对象不被任何其它对象所引用，这些对象将成为被释放的垃圾对象等待被GC回收。

每个应用程序都有一组根指针，这些根指针是不会被回收的，是由JIT编译器和CLR运行时维护的一个列表。主要包括：
● 全局/静态指针：指向全局或局部静态变量
● 栈指针：指向应用程序线程所需要的那部分栈上空间
● 寄存器指针：指向托管堆所需要的那部分CPU中的内存地址

以上，假设托管堆中有5个对象，1和5被跟指针引用，3依赖1,那么在这组托管堆对象中，2和4被回收后变成如下：

当运行时有新的引用对象产生，将会被放到托管堆中这组对象的最上面。

GC如何回收？

GC对托管堆中对象的回收

GC采用一定的算法在托管堆中遍历所有对象，最终形成一个可达对象和不可达对象，不可达对象将被回收。

GC对非托管堆中对象的回收、处理

对资源的回收

比如文件、数据库链接、网络链接等，这些不再托管堆中的对象如何被回收呢？

1、通过析构函数回收

public class Sample
{
    //析构函数
    ~Sample()
    {

    }
}

在托管堆中，那些带有析构函数的实例，将被放置到"Finalization Queue"中。

对于那些不被任何其它对象所引用，如果没有析构函数，比如2，将被直接回收，如果有析构函数，例如4，会被放到"Freachable Queue"中，等待GC实施下一轮回收。

当为一个类添加析构函数后，为GC增加了额外的工作，代价是比较昂贵的，更现实的做法是让类来实现IDisposable接口。

2、通过实现IDisposable接口回收

首先让一个类实现IDisposable接口。

public class ResourceClass : IDisposable
{
    public void Dispose()
    {
        //TODO:实现回收逻辑
    }
}

在应用程序中调用如下实施回收。

using(ResourceClass re = new ResourceClass())
{
    
}

对静态值类型变量的处理

class Counter
{
          private static int s_Number = 0;
 
          public static int GetNextNumber()
          {
                     int newNumber = s_Number;
 
                     // DO SOME STUFF
 
                     newNumber += 1;
                     s_Number = newNumber;
                     return newNumber;
          }
}

如上，当方法有方法处理静态字段就需要注意了，2个线程同时调用GetNextNumber()会得到相同的结果，而我们的本意是：每调用一次方法，静态字段s_Number自增1。

我们可以在处理逻辑块中加锁，每次只允许一个线程执行。

class Counter
{
          private static int s_Number = 0;
 
          public static int GetNextNumber()
          {
                    lock (typeof(Counter))
                    {
                             int newNumber = s_Number;
 
                             // DO SOME STUFF
 
                             newNumber += 1;
                             s_Number = newNumber;
                             return newNumber;
                    }
          }
}

对静态引用类型变量的处理

class Olympics
{
          public static Collection<Runner> TryoutRunners;
}
 
class Runner
{
          private string _fileName;
          private FileStream _fStream;
 
          public void GetStats()
          {
                    FileInfo fInfo = new FileInfo(_fileName);
                    _fStream = _fileName.OpenRead();
          }
}

以上，在GetStats()方法中，由于没有对FileStream及时关闭，如果Olympics恰巧有10万个Runner的集合，10万Runner都执行没有关闭FileStream的Gettats()方法，这将是一场灾难！

Singleton模式可以很好地避免上述问题，它保证了在任何时候，内存中只存在某个类的一个实例。

public class Earth
{
    private static Earth _instance = new Earth();
    private Earth(){}
    public static Earth GetInstance(){return _instance;}
}

以上，单例模式的必要构成要素包括：
1、私有静态引用类型变量
2、私有构造函数
3、获取类实例的静态方法

GC何时回收？

GC会周期性地执行垃圾回收、内存清理工作，以下情况会启动GC：
● 托管堆内存不足溢出时
● 调用GC.Collect()方法强制执行垃圾回收
● Windows报告内存不足
● CLR卸载AppDomain

GC回收之后，又执行哪些操作？

GC在垃圾回收之后，托管堆上将出现多个被收集对象的"空洞"，为了避免托管堆的内存碎片，会重新分配内存、压缩托管堆。

参考资料:

.NET的堆和栈04,对托管和非托管资源的垃圾回收以及内存分配

C# Heap(ing) Vs Stack(ing) in .NET: Part IV

.NET的堆和栈01,基本概念、值类型内存分配

.NET的堆和栈02,值类型和引用类型参数传递以及内存分配

.NET的堆和栈03,引用类型对象拷贝以及内存分配

.NET的堆和栈04,对托管和非托管资源的垃圾回收以及内存分配

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