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【51CTO.com原創(chuàng)稿件】在 .NET 中垃圾回收和資源清理是重中之重的內(nèi)容，也是所有程序都必須用到的機(jī)制，但是有很大一部分開發(fā)人員并不知道垃圾回收和資源清理的原理。那么，我將通過這篇文章向各位讀者詳細(xì)講解一下垃圾回收和資源清理。

一、垃圾回收

.NET中垃圾回收是運(yùn)行時(shí)的核心功能，它的作用是回收不再被引用的對(duì)象所占用的內(nèi)存。這里我們要注意垃圾回收器只回收內(nèi)存資源而不處理其他資源。此外垃圾回收器是根據(jù)是否存在任何引用來決定要清理那些東西，也就是說垃圾回收器處理的是不被引用的引用對(duì)象，并且只能回收堆上的內(nèi)存。

1. 簡(jiǎn)述 在 .NET 中垃圾回收的很多細(xì)節(jié)都和 CLI 有關(guān)，我們常用的 Microsoft.NET 框架中實(shí)現(xiàn)垃圾回收的算法是 mark-and-compact 算法 。當(dāng)每次一次垃圾回收周期開始時(shí)，它會(huì)查找對(duì)象的所有根引用（一般來說根引用來自靜態(tài)變量、CPU寄存器和局部變量或參數(shù)實(shí)例的任何引用）。基于查找到的所有根引用，垃圾回收器就可以遍歷每個(gè)根引用標(biāo)識(shí)的樹形結(jié)構(gòu)，并遞歸確定每個(gè)根引用指向的對(duì)象，進(jìn)而識(shí)別出所有可達(dá)對(duì)象。

   當(dāng)執(zhí)行垃圾回收時(shí)，垃圾回收器會(huì)將所有可達(dá)對(duì)象一個(gè)挨一個(gè)的放在一起，這樣就可以覆蓋不可達(dá)對(duì)象所占用的內(nèi)存。為了定位和移動(dòng)可達(dá)對(duì)象，進(jìn)程中所有托管線程都會(huì)在垃圾回收期間暫停運(yùn)行，這樣就可以保證垃圾回收器在運(yùn)行期間維持狀態(tài)一致性。雖然這么做會(huì)造成應(yīng)用程序短暫停止工作，但是一般來說只要垃圾回收周期不是特別長(zhǎng)，這個(gè)短暫的停止工作是很難發(fā)覺的。在我們開發(fā)時(shí)有時(shí)可能不希望在運(yùn)行一些代碼段時(shí)執(zhí)行垃圾回收，這時(shí)我們可以在代碼段之前使用 System.GC 對(duì)象所包含的 Collect 方法來讓垃圾回收暫時(shí)跳過這些代碼。當(dāng)然這么做是不會(huì)阻止垃圾回收運(yùn)行的，只是減少了這部分代碼可能被回收的概率，但是這里有一個(gè)前提條件：代碼段執(zhí)行期間不會(huì)發(fā)生內(nèi)存被大量消耗使用的情況。在 .NET 中垃圾回收有一個(gè)特別的地方，就是并非所有的垃圾都會(huì)在一個(gè)垃圾回收周期內(nèi)被回收。這是為什么呢？因?yàn)樵?.NET 垃圾回收器中有一個(gè)名字叫 generation 的概念，翻譯成中文就是 代 。它會(huì)清理那些生存時(shí)間較短的對(duì)象，那些在一次垃圾回收周期中存活下來的對(duì)象會(huì)降低清理頻率。也就是說當(dāng)一個(gè)對(duì)象在一次垃圾回收周期中存活下來，那么它將會(huì)被移動(dòng)到下一代中，如果它又在一次垃圾回收周期中存活下來，那么它將被移動(dòng)到最后一代，也就是第二代（為什么是第二代呢？因?yàn)?.NET 垃圾回收機(jī)制中代是從 0 開始的），第零代清理速度最快，第二代清理速度最慢。

2. 弱引用 弱引用這個(gè)名詞很少有開發(fā)人員聽過，所謂的弱引用是為創(chuàng)建起來開銷很高并且維護(hù)成本也很大的對(duì)象而設(shè)計(jì)的。它不阻止垃圾回收器對(duì)對(duì)象的回收，但會(huì)維持一個(gè)引用，進(jìn)而可以在被垃圾回收器回收之前可以重用。例如我們從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)列表向用戶展示，如果沒有使用弱引用當(dāng)用戶關(guān)閉了這個(gè)列表，那么垃圾回收器就有很大可能將它回收，那么當(dāng)用戶再次查看這個(gè)列表時(shí)，程序又需要從數(shù)據(jù)庫(kù)查詢并加載出來，這種操作成本是很高昂的。如果使用了如引用，每次請(qǐng)求列表時(shí)代碼首先檢查列表是否被清除，如果沒有被清除就直接將列表展示給用戶，如果被清除了就從數(shù)據(jù)庫(kù)查詢并展示給用戶，這就相當(dāng)于對(duì)象在內(nèi)存中進(jìn)行了緩存。如果開發(fā)人員認(rèn)為對(duì)象應(yīng)該進(jìn)行弱引用，那么就可以把這個(gè)對(duì)象賦值給 System.WeakReference 。下面我們來看一個(gè)弱認(rèn)證的簡(jiǎn)單例子：

   WeakReference Data; 
   public FileStream Date() 
   { 
      FileStream fs= (FileStream)Data.Target; 
      if(data!=null) 
     { 
          return data; 
     } 
      // more code 
      Data.Target=data; 
      return data; 
   } 

   上面的代碼是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)建弱引用的代碼，我們可以看到在代碼中對(duì)變量 data 進(jìn)行了 null 判斷，我們可以通過這個(gè)判斷來檢查垃圾回收器是否將其回收。這里還有一個(gè)關(guān)鍵代碼 FileStream fs= (FileStream)Data.Target; 這里將弱引用賦值給了強(qiáng)引用，這樣可以避免在檢查 null 后和訪問數(shù)據(jù)前，發(fā)生垃圾回收器回收弱引用。

二、資源清理

在前面一小節(jié)開頭我們說過垃圾回收之回收內(nèi)存中的對(duì)象，那么如果我們需要回收其他資源呢，例如數(shù)據(jù)庫(kù)連接、句柄、外部設(shè)備。這時(shí)我們就需要用到資源清理。

終結(jié)器 終結(jié)器是一個(gè)允許開發(fā)人員通過代碼來清理類資源的東西。終結(jié)器最大的特征是它不能在代碼中顯式調(diào)用，只有垃圾回收器負(fù)責(zé)對(duì)對(duì)象的實(shí)例調(diào)用終結(jié)器，因此開發(fā)人員無(wú)法在編譯時(shí)確定終結(jié)器在何時(shí)執(zhí)行，只能夠確定終結(jié)器時(shí)對(duì)象中最后一次被調(diào)用的地方。 終結(jié)器的定義也很簡(jiǎn)單，只需要在類名之前加一個(gè) ~ 符號(hào)即可。 

class Demo 
{ 
   public Demo(string name) 
  { 
       //more code 
  } 
    
   ~Demo() 
  { 
       Close(); 
  } 
   public void Close() 
  { 
       //more code 
  } 
   //more code 
} 

上述代碼我們就定義了一個(gè)簡(jiǎn)單的終結(jié)器，我們定義終結(jié)器的時(shí)候需要注意以下四點(diǎn)：

因?yàn)榻K結(jié)器是在自己的線程中執(zhí)行的，因此如果終結(jié)器中存在一個(gè)未處理的異常就會(huì)很難診斷發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樵斐僧惓５那闆r并不清晰透明。所以我們必須避免在終結(jié)器中引發(fā)異常。 

• 終結(jié)器是不允許傳遞任何參數(shù)的，也不能重載它；
• 因?yàn)樗潜焕厥掌魉{(diào)用，因此給終結(jié)器加上訪問修飾符是毫無(wú)意義的；
• 如果父類中存在終結(jié)器，那么將會(huì)作為子類終結(jié)器的一部分被自動(dòng)調(diào)用；
• 終結(jié)器必須顯示的釋放資源。

1. using 雖然終結(jié)器可以幫助我們?cè)谕涳@式調(diào)用必要清理代碼的時(shí)候執(zhí)行清理，但是因?yàn)榻K結(jié)器的運(yùn)行存在不確定性，因此我們只能將它作為備用機(jī)制。正常情況下我們可以使用 using 。 C# 中的 IDisposable 接口的 Dispose 方法為我們提供了實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。我們先來看一段代碼。

   class Demo 
   { 
      MyFileStream fs =new myFileStram(); 
      //more code 
      fs.Dispose(); 
      //more code 
   } 
   class MyFileStream:IDisposable 
   { 
      public MyFileStream(string path) 
     { 
          //more code 
     } 
      //more code 
      ~MyFileStream 
     { 
          Dispose(false); 
     } 
      public void Close() 
     { 
          Dispose(); 
     } 
      public void Dispose() 
     { 
          Dispose(true); 
          System.GC.SuppressFinalize(); 
     } 
      public void Dispose(bool para) 
     { 
          // more code 
     } 
   } 

   上述代碼中我們顯式調(diào)用了 MyFileStream 類的 Dispose 方法。 Dispose 方法主要用來清理已經(jīng)用過的資源，但是這里存在一個(gè)問題，當(dāng)我們調(diào)用 Dispose 方法時(shí)有可能會(huì)發(fā)生異常，這時(shí)我們就無(wú)法正確調(diào)用 Dispose 方法了，為了避免這個(gè)問題我們需要加入 try..finally 塊。但是我們無(wú)法保證開發(fā)人員每次都會(huì)寫 try...finally ，這時(shí)我們可以使用 C# 提供的 using 語(yǔ)句，我們將上面的調(diào)用代碼修改一下：

   class Demo 
   { 
      using(MyFileStream fs =new myFileStram()) 
     { 
          //more code 
     } 
   } 

   這段代碼最終生成的 CIL 代碼和使用 try...finally 塊生成的代碼完全一樣。

2. 垃圾回收、終結(jié)和 IDisposable 在上一小節(jié)的代碼中我們看到在 Dispose 方法中我們調(diào)用了 System.GC.SuppressFinalize(); ，它的作用是從終結(jié)隊(duì)列中移除 MyFileStream 實(shí)例。因?yàn)樗星謇矶荚贒ispose 方法中完成了，而不是等著終結(jié)器執(zhí)行。如果不調(diào)用 System.GC.SuppressFinalize() 方法實(shí)例將會(huì)一直在終結(jié)隊(duì)列中，只有當(dāng)終結(jié)方法被調(diào)用之后才能在垃圾回收器中被回收，那么這就造成了托管資源垃圾回收處理時(shí)間的延遲。 Dispose 方法中調(diào)用了 Dispose(bool para) 方法，在這個(gè)方法里我們可以清理資源并阻止終結(jié)器。其次，我們定義了 Close 方法來調(diào)用 Dispose(bool para) 方法，這樣終結(jié)器就可以調(diào)用 Dispose(bool para) 方法來關(guān)閉釋放資源。針對(duì)前一小結(jié)的代碼需要有如下幾點(diǎn)注意：

   在某些特殊情況下垃圾回收的對(duì)象有可能會(huì)被無(wú)意中重新引用一個(gè)待終結(jié)的對(duì)象。這樣，被重新引用的對(duì)象就不再是不可訪問的，所以不能當(dāng)作垃圾被回收掉。假如對(duì)象的終結(jié)方法已經(jīng)運(yùn)行，那么除非顯式標(biāo)記為要進(jìn)行終結(jié)，否則終結(jié)方法不一定會(huì)再次運(yùn)行。

• 只針對(duì)開銷大，成本高的對(duì)象實(shí)現(xiàn)終結(jié)器；
• 如果類存在終結(jié)器那么就必須實(shí)現(xiàn) IDisposable ；
• 不要在終結(jié)器中拋出異常；
• 在 Dispose 方法中必須調(diào)用 System.GC.SuppressFinalize ；
• 保證 Dispose 可以被重用；
• 保證 Dispose 方法的簡(jiǎn)單性；
• 不能在終結(jié)器中調(diào)用未被終結(jié)的其他對(duì)象；
• 如果父類存在終結(jié)器，再重寫時(shí)必須調(diào)用父類終結(jié)器；
• 調(diào)用 Dispose 方法之后，將對(duì)象設(shè)為不可用。

三、小結(jié)

這篇文章詳細(xì)講解了垃圾回收和資源清理相關(guān)的知識(shí)，對(duì)于部分開發(fā)人員來說這部分知識(shí)可能晦澀難懂，但是只要在實(shí)際項(xiàng)目中上手使用，我相信就可以很快的掌握和理解。

作者介紹：

朱鋼，筆名喵叔，國(guó)內(nèi)某技術(shù)博客認(rèn)證專家，.NET高級(jí)開發(fā)工程師，7年一線開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，參與過電子政務(wù)系統(tǒng)和AI客服系統(tǒng)的開發(fā)，以及互聯(lián)網(wǎng)招聘網(wǎng)站的架構(gòu)設(shè)計(jì)，目前就職于一家初創(chuàng)公司，從事企業(yè)級(jí)安全監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。

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