CLR回收非托管资源

一.非托管资源

在《垃圾回收算法之引用计数算法》、《垃圾回收算法之引用跟踪算法》和《垃圾回收算法之引用跟踪算法》这3篇文章中，我们介绍了垃圾回收的一些基本概念和原理，但需要说明的是：这些文章中，介绍的都是对托管资源的回收，所谓托管资源，直白一点，你可以理解为托管堆上分配的对象，它由GC来自动管理。

但本节，我们要介绍另外一种资源——非托管资源，它不是分配在托管堆上的资源，而是诸如文件、网络连接、网络套接字Socket、Windows互斥内核对象等其他的资源。

C#程序有时也需要使用非托管资源，如我们使用FileStream打开文件句柄，并使用句柄操作文件，这里的文件就是非托管资源，当我们使用完FileStream时，GC会在某个时间点回收FileStream，但文件不是托管资源，GC对它一无所知，这样会造成内存的泄漏。为了应对这种情况，CLR提供了一种终结(Finalize)机制，以帮助程序释放非托管资源。

二.终结原理

1.Finalize方法

在语法上,C#的Finalize方法非常类似于C++中的析构器,在类名前添加~符号来定义Finalize方法,CLR为Finalize方法生成名为Finalize的protected overvide方法,方法体被try..finally方法块包裹,在finally中调用了base.Finalize方法.

如下所示:

public class TestClass
{
   ~TestClass()
  {
  }
}

生所IL代码如下:

Finalize机制允许CLR在判断对象为垃圾之后,但在回收垃圾之前执行一些代码,即执行Finalize方法，比如你可以在这些代码里回收非托管资源,下一步,CLR就可以回收托管堆上的资源(托管资源)了.

注意，并不是说你只能在Finalize方法中回收非托管资源，只是一种习惯性做法。

实际上，非托管资源也是一定要先于托管资源回收的。这是为什么呢?假设一个对象被判断为垃圾，由于CLR对于非托管资源一无所知，CLR先回收了托管资源，如果在Finalize方法内部需要访问托管资源，则会造成内存泄漏，相反，非托管资源先释放掉，那么剩下的托管资源由于真正的不可达（既没有被非托管资源访问也没有被托管资源访问），就可以被GC垃圾回收了。

那一个对象的托管资源和非托管资源可不可以一起回收呢?答案也是不行的.因为,CLR采用一个特殊的、高优先级的专用线程调用Finalize方法（这样做是为了避免潜在的线程同步问题，使用应用程序的普通优先级线程就有可能发生空上问题），无法保证一起回收，它甚至不保证多个Finalize方法的调用顺序。

在接下来介绍的Finalize内部工作原理时，我们会介绍到freachable队列，特殊线程就是监控该队列的数据，freachable队列为空时，线程将睡眠，但一旦队列中有记录项出现时，线程就会被唤醒，将每一项从freachable队列中移除，同时调用每个对象的Finalize方法。

2.Fianlize的内部工作原理

我们来通过《CLR via C#》中的例子来说明Finalize的内部工作原理，在这之前我们要说明两个概念：

a.终结列表：用来存储实现了Finalize方法的对象指针列表，注意，CLR认为，如果你是从System.Object中继承了Finalize方法，则不会认为你是终结对象，但如果你重写了Finalize方法，则CLR认为对象是终结对象，则会将它加入终结列表。那在程序运行的时候，对象何时加入终结列表呢？《CLR via C#》中说，在应用程序创建新对象时，该类型的实例构造函数被调用之前。

b.freachable:全称是Finalization Reachable List，它存储着所有被判断为垃圾的终结对象，等待着CLR专用线程对它的调用。

明白了以上的概念，现在我们来图解Finalize的内部工作原理。

如图所示，在初始状态下，在G0中，A C E F是可达的，C D I实现了Finalize方法，被加入了终结列表（即我们上面所说的概念a）,freachable队列为空：

现在，GC开始扫描所有的根，形成对象可达图，注意GC会发现B D G H I J均为垃圾(即同步块索引中的一位标志为0)，同时发现D和I虽然为垃圾，但是它是终结对象，因此将它们放入freachable列表中（上面所说的概念b），因为Finalize在被CLR专用线程调用时，这个对象必然要是存活的，所以使得freachable的这些终结对象(D和I)“复活”，同时它们引用的对象(J)也复活了。经过这两个步骤，GC形成了对象可达图，如下所示：

下面开始进行GC回收垃圾工作，在清除垃圾后，B G H被清掉，剩下的对象被压缩并提升至G1代中。随后，特殊的进程清空freachable队列，执行每个对象(这里是D和I)的Finalize方法：

执行完freachable的Finalize方法后，D I J现在没有任何对象引用它们，它们将在下次的GC组成对象可达图时，变得不可达（即垃圾）。在第二次（也可能是某一次）GC时，D I J被清除掉。

这里需要说明

a:终结对象的清除需要两次垃圾回收才能释放它们占用的垃圾；

b:这两次垃圾回收有可能不是连续的，因为GC执行第一次垃圾回收的，终结对象被提升至下一代，而在进行下一代的垃圾回收之前，前一代很有可能进行了1次或多次的垃圾回收。

3.Finalize方法的缺陷

a.因为可终结对象在调用时必须存活，造成可终结对象要经过两次释放才能真正释放掉资源，并在GC中提升至下一代，其引用的对象也会被提升，使对象活得比正常时间长，这增大了内存消耗；

b.Finalize方法的执行时间和执行顺序是控制不了的，因为只有GC完成后才会运行Finalize，而只有应用程序请求更多的内存而不够时才会进行GC；

c.根据b点说明，我们不可以在一个终结对象的Fialize方法中调用另一个终结对象，因为Finalize方法的执行顺序控制不了，我们无法保证调用时另一个终结对象还存在，但可以安全地访问值类型的类型；

d.CLR用专用线程调用Finalize方法来避免死锁，如果Finalize方法阻塞，则特殊线程也会发生阻塞，无法调用更多的Finalize方法，这使得GC永远回收不了终结对象占用的内存，内存则会一直泄漏；同时如果Finalize未处理的异常则会造成进程终止，无法捕捉该异常。

三.Dispose模式

前面我们介绍了Finalize的缺陷，其中c点，我们可以在程序中控制Finalize不要访问另外一个终结对象，对于d点，我们可以在Finalize中进行异常控制；对于a和b点，我们就不能控制了，这会带来一个致命的问题，如果我的非托管资源很少，在应对高并发的请求时，GC又不知道何时执行，非托管资源又在GC之后，对于非托管资源的释放成为性能的瓶颈，比如Socket等。

微软提供了一个Dispose模式来解决这个问题，它让我们能够显式地释放非托管资源，控制非托管资源的生存期。

实现了IDisposable接口，就实现了dispose模式。

Dispose模式的设计原则

b.析构函数应该Dispose带参方法来释放非托管资源
c.Dispose方法应该可以释放托管资源和非托管资源

e.CLR为继承了IDisposable接口的类提供了特殊的语法糖，使用using(MyDispose myOjb=new MyDispoe()){ … }，它会在跳出using的区域时调用MyDispose的Dispose方法。

微软在官方网站上提供了Dispose模式的案例，如下所示

using System;

class BaseClass : IDisposable
{
   // 标志位：标志Dispose方法是否被调用过
   bool disposed = false;

   // 实现IDisposable接口
   public void Dispose()
   { 
      Dispose(true);
      GC.SuppressFinalize(this);           
   }

   // True时：释放托管和非托管资源，手工调用
//False时：只释放非托管资源，CLR专用线程调用
   protected virtual void Dispose(bool disposing)
   {
      if (disposed)
         return; 

      if (disposing) {
         // 释放托管资源
      }

      // 释放所有的非托管资源
      disposed = true;
   }

   ~BaseClass()
   {
      Dispose(false);
   }
}

2.源码学习：看下.Net Framework中FileStrem的Dispose模式

a.FileStreamr的基类Stream实现了Dispose模式

public abstract class Stream : IDisposable {
    public void Dispose()
{ 
//通过Close方法释放托管资源和非托管资源，同时通知GC
      Close();
    }
public virtual void Close()
    { 
       Dispose(true);
       GC.SuppressFinalize(this);
     }
    //虚方法，留给FileSteam去实现
    protected virtual void Dispose(bool disposing)
{
    
}
}

b.FileStream类，实现了Finalize方法，并重写了Dispose带参方法，当然FileStream的方法实现了很多功能，写法也较复杂，我们这里只需要了解一下关注的Dispose模式即可。

public class FileStream : Stream{
    ~FileStream(){
       if (_handle != null) {
           Dispose(false);//调用基类的Dispose方法，释放非托管资源
       }
}
protected override void Dispose(bool disposing)
     {
        try {
           if (_handle != null && !_handle.IsClosed) { 
              if (_writePos > 0) {
                FlushWrite(!disposing);//在这里释放资源
              }
           }
       }
       finally {
          if (_handle != null && !_handle.IsClosed){
            _handle.Dispose(); 
            _canRead = false;
            _canWrite = false;
            _canSeek = false; 
            base.Dispose(disposing);
          }
  }
}