谈谈.NET中的内存管理

.NET中的内存管理通常会被认为是GC（Garbage Collection）的事情，程序员不用太操心。的确，GC通过对托管堆（Managed Heap）的管理，使我们（程序员们）有机会从繁琐的诸如内存泄漏之类的问题中解放出来，将精力专注于程序的逻辑上。然而，将所有的事情都交给GC有时会损及程序的效率，严重的甚至可能导致错误。这是由于，GC虽然可以有效地管理托管对象（Managed Object），但是对于那些非托管资源（例如文件句柄、Socket链接等）或者需要特别关照的对象（例如Bitmap对象等），GC的表现就不是那么尽如人意了。对于这些工作，GC需要程序员的协助才能很好的完成。因此，有效地利用GC进行内存管理，在.NET中是很重要的。这也是在对.NET程序进行优化时应当考虑的方向之一。

 

Garbage Collection

 

关于GC原理的讨论已经有很多非常好的文章了。记得《程序员》2003年第一期上也专门做过一期关于GC的专题，其中裘宗燕老师的文章——《Garbage Collection——问题和技术》将GC的技术原理剖析的十分透彻。因此本文不打算对GC的原理做过多的讨论，如果你在这方面有所疑惑，可以参考这篇文章。

 

简单说来，.NET CLR所使用的垃圾收集器是一种典型的分代式（generational）、标记－压紧型（mark-and-compact）收集器。它将整个托管堆分成数个（默认是3个）generation，利用标记－清除（mark-and-clean）算法对这几个generation进行垃圾回收，然后对托管堆进行整理，将非垃圾数据压紧以减少内存碎片。

 

为了尽量提高算法效率，.NET CLR实现了两种类型的GC：工作站GC（mscorwks.dll）和服务器GC（mscorsvr.dll）。当运行时（run-time）被加载到进程中时，可以通过CorBindToRuntimeEx()函数选择使用哪种GC。服务器GC是专门针对具有多处理器的服务器系统而设计的，它采用并行算法，每个CPU都具有一个GC，当进行GC过程时，该CPU上的程序会暂停。这样的设计能够尽量提高服务器的数据吞吐量。而所有的单处理器系统都工作在工作站GC模式下，工作站GC不存在并行模式，它的设计目标是尽可能减少垃圾回收过程中程序暂停的次数。很显然，如果在多处理器系统中使用工作站GC，无疑会降低系统的性能，无法发挥多处理器的强大威力。因此，选择合适的GC使有效的内存管理的第一步。

 

Dispose() vs. Finalize()

 

对于前文提到的那些非托管资源，通常在释放之前需要做一些适当的清理工作。.NET提供了Dispose()和Finalize()两个途径来执行这些清理工作。那么这两种方式的区别是什么呢？简单说来，Dispose()是提供给程序员调用的；而Finalize()是让GC调用的。二者的具体区别见下表：

 

Dispose()与Finalize()的主要区别

	Dispose()	Finalize()
由谁调用？	程序员	GC
何时调用？	由程序员决定	不可预知
以何种顺序调用？	由程序员决定	不可预知
资源何时释放？	调用结束后	下次GC过程之后，在此之前对象仍可用。

 

之所以有如此的不同是由于，当一个具有Finalizer（Finalize()方法）的对象被标记为可被回收时，GC并不直接回收它，而是将它的一个引用添加到一个特殊的队列里。一个独立的线程遍历这个队列，逐个调用队列中每个元素的Finalize()方法。Finalize()方法被调用过的对象会在下一次GC过程时被释放。程序员无权控制这个线程，同时也不能访问这个队列。而Dispose()是IDisposable接口的一部分，这个接口专门用来实现对象的清理工作。

 

基于以上的区别，我们有四种策略来实现对象的清理。

 

1、   同时实现Dispose()和Finalize()。

对于同时具有托管资源和非托管资源的对象，这种方法是.NET所推荐使用的。实现Dispose()方法能够使程序员在已知资源不再使用时立即释放它。但由于Dispose()强迫程序员必须做显示的调用才能释放资源，因此实现Finalize()能够保证在Dispose()没被调用时也能正确地释放资源。

 

典型的实现模式如下：

    public class Sample : IDisposable

    {

// Implement IDisposable.

        public void Dispose()

        {

            Dispose(true);

// Forbid GC to call finalizer.

            GC.SuppressFinalizer(this);

        }

 

        protected virtual void Dispose(bool disposing)

        {

            if (disposing)

            {

                // Free managed objects.

            }

            // Free unmanaged objects, and set large fields to null.

        }

 

// Finalizer.

        ~Sample()

        {

            Dispose(false);

        }

    }

 

在C#和Managed C++中，使用析构函数来实现Finalize()方法。析构函数能够自动产生Finalize()方法，并生成对基类Finalize()方法的调用^[1]。

 

2、   只实现Dispose()方法。

这适用于只包含托管资源的对象。如果你想为这类对象提供明确的释放资源的机会，可以采用这种方式。典型的实现模式如下：

    public class Sample : IDisposable

    {

// Implement IDisposable.

        public virtual void Dispose()

        {

            // Free managed objects.

        }

    }

 

3、   只实现Finalize()。

这种方式不推荐使用，它只适合于程序员无法确定资源何时能够被释放，或者所用到的资源复杂到无法通过显示的方式释放，只能通过Finalize()强行回收。这两种情况不应该出现在设计良好的项目中，如果你不得不使用这种方式，那么你首先应当回头检查你的设计。

 

实现代码如下：

    public class Sample

    {

// Implement IDisposable.

        ~Sample()

        {

        }

    }

 

4、   既不实现Dispose()，也不实现Finalize()。

这种方式适用于仅包含对其他托管对象的引用的对象，这些引用既不需要Dispose，也不需要Finalize。

 

总结

 

在使用Dispose()和Finalize()来协助GC进行高效的内存管理时，以下一些规则应当遵守：

·对象使用完毕应当立即释放（设为null，或调用它的Dispose()方法）。

·对于使用到非托管资源的对象，应当同时实现Dispose()和Finalize()方法来进行清理工作。

·应当禁止调用已经被Dispose的对象，“重新创建已被Dispose的对象”这个模式很难实现（.NET Framework无能为力）。

·应当保证Dispose()被调用两遍不会抛出异常。

·必须实现Finalize()时，应当同时实现IDisposable接口（也就是Dispose()方法）。

·只在不得不用的地方，或者不得不用的时候，使用Finalize()。

 

[1]：此处原文中有误，谢谢网友zhangdawei78及时指出J