C#的内存管理：堆栈、托管堆与指针
C#的内存管理：堆栈、托管堆与指针
在32位的Windows操作系统中，每个进程都可以使用4GB的内存，这得益于虚拟寻址技术，在这4GB的内存中存储着可执行代码、代码加载的DLL和程序运行的所有变量，在C#中，虚拟内存中有个两个存储变量的区域，一个称为堆栈，一个称为托管堆，托管堆的出现是.net不同于其他语言的地方，堆栈存储值类型数据，而托管堆存储引用类型如类、对象，并受垃圾收集器的控制和管理。在堆栈中，一旦变量超出使用范围，其使用的内存空间会被其他变量重新使用，这时其空间中存储的值将被其他变量覆盖而不复存在，但有时候我们希望这些值仍然存在，这就需要托管堆来实现。我们用几段代码来说明其工作原理，假设已经定义了一个类class1:
class1 object1;
object1=new class1();
第一句定义了一个class1的引用，实质上只是在堆栈中分配了一个4个字节的空间，它将用来存府后来实例化对象在托管堆中的地址，在windows中这需要4个字节来表示内存地址。第二句实例化object1对象，实际上是在托管堆中开僻了一个内存空间来存储类class1的一个具体对象，假设这个对象需要36个字节，那么object1指向的实际上是在托管堆一个大小为36个字节的连续内存空间开始的地址。由此也可以看出在C#编译器中为什么不允许使用未实例化的对象，因为这个对象在托管堆中还不存在。当对象不再使用时，这个被存储在堆栈中的引用变量将被删除，但是从上述机制可以看出，在托管堆中这个引用指向的对象仍然存在，其空间何时被释放取决垃圾收集器而不是引用变量失去作用域时。
在使用电脑的过程中大家可能都有过这种经验：电脑用久了以后程序运行会变得越来越慢，其中一个重要原因就是系统中存在大量内存碎片，就是因为程序反复在堆栈中创建和释入变量，久而久之可用变量在内存中将不再是连续的内存空间，为了寻址这些变量也会增加系统开销。在.net中这种情形将得到很大改善，这是因为有了垃圾收集器的工作，垃圾收集器将会压缩托管堆的内存空间，保证可用变量在一个连续的内存空间内，同时将堆栈中引用变量中的地址改为新的地址，这将会带来额外的系统开销，但是，其带来的好处将会抵消这种影响，而另外一个好处是，程序员将不再花上大量的心思在内在泄露问题上。
当然，以C#程序中不仅仅只有引用类型的变量，仍然也存在值类型和其他托管堆不能管理的对象，如果文件名柄、网络连接和数据库连接，这些变量的释放仍需要程序员通过析构函数或IDispose接口来做。
另一方面，在某些时候C#程序也需要追求速度，比如对一个含用大量成员的数组的操作，如果仍使用传统的类来操作，将不会得到很好的性能，因为数组在C#中实际是System.Array的实例，会存储在托管堆中，这将会对运算造成大量的额外的操作，因为除了垃圾收集器除了会压缩托管堆、更新引用地址、还会维护托管堆的信息列表。所幸的是C#中同样能够通过不安全代码使用C++程序员通常喜欢的方式来编码，在标记为unsafe的代码块使用指针，这和在C++中使用指针没有什么不同，变量也是存府在堆栈中，在这种情况下声明一个数组可以使用stackalloc语法，比如声明一个存储有50个double类型的数组：
double* pDouble=stackalloc double[50]
stackalloc会给pDouble数组在堆栈中分配50个double类型大小的内存空间，可以使用pDouble[0]、*(pDouble+1)这种方式操作数组，与在C++中一样，使用指针时必须知道自己在做什么，确保访问的正确的内存空间，否则将会出现无法预料的错误。
掌握托管堆、堆栈、垃圾收集器和不安全代码的工作原理和方式，将有助于你成为真正的优秀C#程序员。
