不用程序員操心的堆 —托管堆

　　程序在計(jì)算機(jī)上跑著，就難免會占用內(nèi)存資源來存儲在程序運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)，我們按照內(nèi)存資源的存取方式將內(nèi)存劃分為堆內(nèi)存和棧內(nèi)存。

　 棧內(nèi)存，通常使用的場景是：對存取速度要求較高且數(shù)據(jù)量不大。

　 典型的棧內(nèi)存使用的例子就是函數(shù)棧，每一個(gè)函數(shù)被調(diào)用時(shí)都會被分配一塊內(nèi)存，這塊內(nèi)存被稱為棧內(nèi)存，以先進(jìn)后出的方式存取數(shù)據(jù)，在函數(shù)執(zhí)行過程中不斷往函數(shù)棧中壓入（PUSH）數(shù)據(jù)（值類型數(shù)據(jù)：int、float、對象的引用...），函數(shù)執(zhí)行完后又將函數(shù)棧中的數(shù)據(jù)逐個(gè)彈出（POP）,由于是以操作棧的形式來存取，所以訪問速度快。

　　堆內(nèi)存，從字面意思上理解就好像是倉庫里面可以存一堆破爛，你若是需要存點(diǎn)什么東西就盡管往里面一扔，倉庫里有的是空間。事實(shí)確實(shí)也是如此，堆內(nèi)存中可以存放大規(guī)格的數(shù)據(jù)（比如對象資源），這些數(shù)據(jù)是不適合存放在棧中的，因?yàn)闂？臻g的容量有限，這就是堆內(nèi)存相對于棧內(nèi)存的好處：容量大。但是它的缺點(diǎn)也是顯而易見的，那就是存取堆內(nèi)存的數(shù)據(jù)相較于存取棧內(nèi)存是非常慢的，試想一下，讓你在倉庫里的一堆破爛里去找你想要的東西是什么感覺。

　　從內(nèi)存分配方式上看，堆內(nèi)存不同于棧內(nèi)存，函數(shù)棧是在每一個(gè)函數(shù)被執(zhí)行的時(shí)候被自動分配并且函數(shù)執(zhí)行完成后自動回收，而如果你想使用堆內(nèi)存，就得自己動手豐衣足食。

　 所以你會看到c語言程序員會這樣去使用堆內(nèi)存：

int *p = (int*)malloc(sizeof(int)); //在堆內(nèi)存中申請一塊字節(jié)數(shù)為int字節(jié)數(shù)的堆內(nèi)存，并返回指向該內(nèi)存區(qū)域的指針
*p = 10; 
free(p); //釋放堆內(nèi)存資源

　　你還會看見c++程序員這樣寫：

Car* bmw = new Car(); //創(chuàng)建一個(gè)Car類對象，在堆內(nèi)存中存放對象數(shù)據(jù)，并返回指向?qū)ο筚Y源的指針
delete bmw; //釋放堆內(nèi)存資源

　　當(dāng)然，沒有接觸過c/c++的小伙伴也不用驚慌，上面只不過是想讓你知道在c/c++語言中，程序員要是想使用堆內(nèi)存，那就必須顯式地編寫分配和釋放堆內(nèi)存資源的代碼。

　 有人問：使用完堆內(nèi)存資源后沒有手動釋放它會有什么后果嗎？

　 答案是：由于堆內(nèi)存資源使用者未及時(shí)釋放內(nèi)存會導(dǎo)致內(nèi)存無法再次使用，從而造成內(nèi)存資源的泄漏（浪費(fèi)）。

　 就在這個(gè)時(shí)候，c#程序員笑了，只見他的手指非常輕盈優(yōu)雅地在屏幕上敲出了下面這行代碼：

　Car bmw = new Car();

　　一旁圍觀的c程序員和c++程序員驚呆了，他們不知道自己在敲代碼的時(shí)候有沒有像這樣輕松過。c++程序員用手撫摸著他那锃光瓦亮的額頭，突然眼睛里閃著光，喊道：“你還沒有釋放堆內(nèi)存的資源呢，你這樣是很危險(xiǎn)的，會內(nèi)存泄漏的，快，把釋放堆內(nèi)存的代碼寫上！”

　　c#程序員似乎并不為所動，舒舒服服地靠在椅子上，用余光瞟了c++程序員一眼，說：“不用慌，不用慌，這個(gè)對象在托管堆上放的好好的呢，不用我操心”，于是，c#程序員便娓娓道來（呼呼大睡）...

　　在.NET的世界，使用new關(guān)鍵字創(chuàng)建一個(gè)對象，首先對象資源被分配在托管堆中，然后new會返回一個(gè)指向堆上對象的引用，而不是真正的對象本身。如果在方法作用域中將引用變量聲明為本地變量，這個(gè)引用變量保存在棧內(nèi)，以供應(yīng)用程序以后使用。

　　托管堆，顧名思義，就是托給別人管的堆，那么是誰在管理著這個(gè)堆上的對象資源呢？

　　答案是：CLR(Common Lanauage Runtime)，對象的實(shí)例化結(jié)束以后，GC(垃圾回收器)將會在對象不再需要時(shí)將其銷毀。

　　也就是說，通過允許垃圾收集器負(fù)責(zé)銷毀對象，內(nèi)存管理的麻煩就都交給CLR了，萬事大吉。

　　看似問題好像都已水落石出，無非就是將堆內(nèi)存資源回收交給了CLR去承擔(dān)。難道你就不想知道的更多一點(diǎn)？比如接著而來的問題：

　　1、垃圾回收器如何判斷一個(gè)對象什么時(shí)候不再需要？

　　2、垃圾回收器又在什么時(shí)候會執(zhí)行垃圾清理的操作？

　　別急，帶著問題慢慢往下看。

CIL的new指令— 垃圾回收的觸發(fā)者

　　c#中的new關(guān)鍵字最終會被編譯器翻譯成CIL的newobj指令，讓我們仔細(xì)查看一下CIL newobj指令的作用。

　　首先，需要明白托管堆不僅僅是一個(gè)可由CLR訪問的隨機(jī)內(nèi)存塊。.NET垃圾回收器是堆的“清潔工”，出于優(yōu)化的目的它會壓縮空閑的內(nèi)存塊（當(dāng)需要時(shí)）。為了輔助壓縮，托管堆會維護(hù)一個(gè)指針(通常被叫做下一個(gè)對象指針或者是新對象指針），這個(gè)指針用來標(biāo)識下一個(gè)對象在堆中分配的地址。

　　此外，newobj指令通知CLR來執(zhí)行下列的核心任務(wù)：

　　(1)計(jì)算要分配的對象所需的全部內(nèi)存（包括這個(gè)類型的數(shù)據(jù)成員和類型的基類所需的內(nèi)存）。

　　(2)檢查托管堆來確保有足夠的空間來放置所申請的對象。如果有足夠的空間，會調(diào)用這個(gè)類型的構(gòu)造函數(shù)，構(gòu)造函數(shù)會返回一個(gè)指向內(nèi)存中這個(gè)新對象的引用，這個(gè)新對象的地址剛好就是下一個(gè)對象指針上一次所指向的位置。

　　(3)最后，在把引用返回給調(diào)用者之前，讓下一個(gè)對象指針指向托管堆中下一個(gè)可用的位置。

　　下面的圖解釋了在托管堆上分配對象的細(xì)節(jié)。

　　在c#中分配對象是一個(gè)很頻繁的操作，照這樣下去托管堆上的空間遲早會被揮霍完，所以，重點(diǎn)來了，如果CLR 發(fā)現(xiàn)托管堆沒有足夠空間分配請求的類型時(shí)，它會執(zhí)行一次垃圾回收來釋放內(nèi)存。

　　當(dāng)執(zhí)行垃圾回收時(shí)，垃圾收集器臨時(shí)掛起當(dāng)前進(jìn)程中的所有的活動線程來保證在回收過程中應(yīng)用程序不會訪問到堆。（一個(gè)線程是一個(gè)正在執(zhí)行的程序中的執(zhí)行路徑）。一旦垃圾回收完成，掛起的線程又可以繼續(xù)執(zhí)行了。還好，.NET 垃圾回收器是高度優(yōu)化過的，所以用戶很少能察覺到應(yīng)用程序中的短暫中斷。

　　通過對CIL的new指令作用的解讀，我們知道了:如果托管堆沒有足夠的空間分配一個(gè)請求的對象，則會執(zhí)行一次垃圾回收。

（講到這里c#程序員停了下來，喝了口保溫杯里的枸杞紅棗大補(bǔ)茶🍵，清了清嗓子，繼續(xù)開始解惑...)

應(yīng)用程序根的作用 — 區(qū)分不可到達(dá)的對象

　　現(xiàn)在讓我們來討論一下垃圾回收器怎樣確定什么時(shí)候“不再需要”一個(gè)對象。為了理解細(xì)節(jié)，你需要知道應(yīng)用程序根的概念。

　　簡單來說，一個(gè)根是一個(gè)引用，這個(gè)引用指向堆上面的一個(gè)對象的。嚴(yán)格來說，一個(gè)根可以有以下幾種情況：

　 (1) 指向全局對象的引用（盡管C#不支持，但CIL代碼允許分配全局對象）

　　(2)指向任何靜態(tài)對象

　　(3)指向一個(gè)應(yīng)用程序代碼中的局部對象

　　(4)指向傳入到一個(gè)函數(shù)中的對象參數(shù)

　　(5)指向等待被終結(jié)(finalized)的對象

　　(6)任何一個(gè)指向?qū)ο蟮腃PU寄存器

　　在一次垃圾回收的過程中，運(yùn)行環(huán)境會檢查托管堆上面的對象是否仍然是從應(yīng)用程序根可到達(dá)的。為了檢查可達(dá)，CLR會建立一個(gè)代表堆上每個(gè)可達(dá)對象的圖。對象圖用來記錄所有可達(dá)的對象。同時(shí)，注意垃圾回收器絕不會在圖上標(biāo)記一個(gè)對象兩次，因此避免了煩人的循環(huán)引用。

　　假設(shè)托管堆上有名字為A,B,C,D,E，F(xiàn)和G的對象集合。在一次垃圾回收過程中，會檢查這些對象（同時(shí)包括這些對象可能包含的內(nèi)部對象引用）是否是根可達(dá)的。一旦圖被建立起來，不可達(dá)的對象（在此是對象C和F）被標(biāo)記為垃圾。

　　下圖是上述場景的一個(gè)可能的對象圖（你可以把箭頭讀作依賴或者需要，例如"E依賴于G，間接依賴于B，“A不依賴任何對象”等）。

（創(chuàng)建的對象圖是用來決定哪些對象是應(yīng)用程序根可達(dá)的。）

　　一旦一個(gè)對象已經(jīng)被標(biāo)記為終結(jié)（此例子中是C和F--在圖中沒有他倆），它在內(nèi)存中就被清理掉了。在此時(shí)，堆上的剩余內(nèi)存空間被壓縮，這會導(dǎo)致CLR修改活動的應(yīng)用程序根集合（和對應(yīng)的指針）來指向正確的內(nèi)存位置（這個(gè)操作是自動透明的）。最后，調(diào)整下一個(gè)對象指針來指向下一個(gè)可用的內(nèi)存位置。

　　下圖闡明了清除和壓縮堆的過程。

　　到這里，通過對應(yīng)用程序根的作用的理解，我們知道了如何知道一個(gè)對象是“不再需要”的。通俗點(diǎn)來說就是，這個(gè)對象在應(yīng)用程序中已經(jīng)無需被訪問了，成為了一座“孤島”，自然也就不再需要它了。

　?。榱俗宑++程序員能更加理解. net垃圾回收的奧妙，c#程序員繼續(xù)滔滔不絕…）

理解對象的代 — 垃圾回收過程的優(yōu)化

　　在嘗試找到不可達(dá)的對象時(shí)，CLR并不是檢查托管堆上的每個(gè)對象。很明顯，這樣做會消耗大量時(shí)間，尤其在大型（例如現(xiàn)實(shí)中）程序中。

　　為了幫助優(yōu)化這個(gè)過程，堆上的每個(gè)對象被分配到一個(gè)特殊的"代”。代這個(gè)概念背后的想法很簡單：對象在堆上存活的時(shí)間越長，接下來它繼續(xù)存在的可能性也就越大，即較舊的對象生存期長，較新的對象生存期短。例如，實(shí)現(xiàn)Main()的對象一直在內(nèi)存中，直到程序結(jié)束。相反，最近才被放到堆中的對象（例如在一個(gè)函數(shù)范圍里分配的對象）很可能很快就不可達(dá)。

　　在堆上的每個(gè)對象屬于以下的某一個(gè)代：

　 Generation 0： 標(biāo)識一個(gè)最近分配的還沒有被標(biāo)記為回收的對象

　　Generation 1: 標(biāo)識一個(gè)經(jīng)歷了一次垃圾回收而存活下來的對象（例如，他被標(biāo)記為回收，但由于堆空間夠用而沒有被清除掉）

　　Generation 2:標(biāo)識一個(gè)經(jīng)歷了不止一輪垃圾回收而存活下來的對象。

　　垃圾回收器首先會檢查generation 0的所有對象。如果標(biāo)記并清理這些對象（譯者注：因?yàn)樾聦ο蟮纳嫫谕^短，并且期望在執(zhí)行回收時(shí)，應(yīng)用程序不再使用第 0 級托管堆中的許多對象）后產(chǎn)生了足夠使用的內(nèi)存空間，任何存活下來的對象就被提升到Generation 1。為了理解一個(gè)對象的代如何影響回收的過程，可以查看下圖。下圖解釋了generation 0中一次垃圾回收后，存活的對象被提升的過程?！　?/p>

（generation 0 中的存活對象被提升到generation 1）

　　如果所有的generation 0對象都被檢查了，但是產(chǎn)生的內(nèi)存空間仍然不夠用，就檢查一遍generation 1中的所有對象的可達(dá)性并回收。存活下來的generation 1對象被提升到generation 2。如果垃圾回收器仍然需要額外的內(nèi)存，generation 2的對象就經(jīng)歷檢查并被回收。此時(shí)，如果一個(gè)generation 2的對象存活下來，它仍然是一個(gè)generation 2的對象。

　　其實(shí)通過對象的代的設(shè)計(jì)是想達(dá)到這么一個(gè)效果:新對象（比如局部變量）會被很快回收，而老一些的對象（如一個(gè)應(yīng)用程序?qū)ο螅┎粫唤?jīng)常騷擾。

　　說到底，對象代的設(shè)計(jì)就是為了優(yōu)化垃圾回收的過程。　　

　　“我還有最后一個(gè)問題”，c++程序員按耐不住心里一直的疑惑，說到:“你說了這么多都是再講托管資源，難道.net中就沒有非托管資源嗎？. net又是怎么對非托管資源進(jìn)行資源釋放的呢？”。

　　"這個(gè)問題問的好！"，c#程序員大笑，于是接著又開始解惑（吹B）…

構(gòu)建可終結(jié)對象 —非托管資源處理第一式

　　以一名c#開發(fā)者的直覺告訴你，大多數(shù)的c#類都不需要顯式的清理邏輯。原因很簡單:如果類型使用了其他托管對象，一切都最終會被垃圾回收。

　　問：那在什么時(shí)候需要顯式地清理呢？

　　答案是:在你使用非托管資源時(shí)（例如原始的操作系統(tǒng)文件句柄、原始的非托管數(shù)據(jù)連接或其他非托管資源)，才可能需要設(shè)計(jì)一個(gè)在用完后清理自身垃圾的類。

　　比如說下面這個(gè)類:

//數(shù)據(jù)庫上下文類
  public class SqlDbContext
  {
    //...(其他被引用的對象實(shí)例)

    //類中包含的非托管資源（需要調(diào)用 Dispose()函數(shù)進(jìn)行資源的釋放）
    SqlConnection sqlConnection = new SqlConnection("..."); 
      
  }

　　現(xiàn)在問題來了，我們要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)調(diào)用數(shù)據(jù)庫連接類對象釋放資源的方法(SqlConnection類對象使用完后需要調(diào)用Dispose()方法釋放資源)。這個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)當(dāng)然就是對象在被CLR進(jìn)行垃圾回收的過程中，所以問題又來到了，有沒有一個(gè)方法是在這個(gè)時(shí)機(jī)被調(diào)用，而且是可以被擴(kuò)展的呢？

　　是的，我們可以利用. NET的基類System.Object中定義的名為Finalize()的虛方法，也叫作終結(jié)器方法，它是這樣的:

　　看到這當(dāng)然會很奇怪，不是說有Finalize()方法，在哪，逗我？莫驚訝，其實(shí)這里的 ~Object() 就是Finalize()，只是一個(gè)語法糖罷了。

　　Finalize()的調(diào)用將（最終）發(fā)生在一次"自然的"垃圾回收或用程序通過GC.Collect()強(qiáng)制回收的過程中，所以這樣看來，終結(jié)器方法就是讓類對象釋放內(nèi)部非托管資源的地方。nice,現(xiàn)在我們可以像這樣來編寫清理非托管資源的代碼:

//數(shù)據(jù)庫上下文類
    public class SqlDbContext
    {
      //...(其他被引用的對象實(shí)例)

      //類中包含的非托管資源（需要調(diào)用 Dispose()函數(shù)進(jìn)行資源的釋放）
      SqlConnection sqlConnection = new SqlConnection("..."); 

      ~SqlDbContext()
      {
        //這里清除非托管資源
        this.sqlConnection.Dispose();
      }
      
    }

　　這樣被構(gòu)建的對象被叫做可終結(jié)對象。

　　有關(guān)于終結(jié)過程的細(xì)節(jié)，在《C#與.NET4高級程序設(shè)計(jì)（第5版）》書中是這樣描述的：

　　從以上的內(nèi)容我們得知：通過Finalize()來清除非托管資源的時(shí)機(jī)只能是在.NET對象被垃圾回收的過程中，而且終結(jié)過程是一個(gè)消耗不小的動作。

　　問題又來了：很多非托管資源都非常寶貴（如數(shù)據(jù)庫和文件句柄），所以這些資源應(yīng)該在使用完后盡快地被清除，而不能依靠垃圾回收的發(fā)生，那么這些資源應(yīng)該以怎樣的形式被顯示地釋放呢？

構(gòu)建可處置對象—非托管資源處理第二式

除了重寫 Finalize() 之外，類還可以實(shí)現(xiàn) IDisposable 接口，它定義了一個(gè)名為 Dispose() 的方法：

 public interface IDisposable
  {
    void Dispose();
  }

　　它的使用方法就是：在類的Dispose()方法中編寫非托管資源的釋放的代碼，程序員可以在這個(gè)對象不再需要的時(shí)候手動調(diào)用對象的Dispose()方法來達(dá)到及時(shí)釋放非托管資源的目的。

　 于是你可以像這樣來編寫類：

//數(shù)據(jù)庫上下文類
    public class SqlDbContext:IDisposable
    {
      //...(其他被引用的對象實(shí)例)

      //類中包含的非托管資源（需要調(diào)用 Dispose()函數(shù)進(jìn)行資源的釋放）
      SqlConnection sqlConnection = new SqlConnection("..."); 

      public void Dispose()
      {
        //這里清除非托管資源
        this.sqlConnection.Dispose();
      }
    }

　 采用這種方式來釋放非托管資源的類被稱作為可處置對象。

　 在這里還要補(bǔ)充一點(diǎn)，C#提供了一個(gè)語法糖來簡化調(diào)用Dispose()操作，如下：

SqlDbContext context = new SqlDbContext();

  try
  {
    //在此作用域內(nèi)使用SqlDbContext類對象context
  }
  finally
  {
    //確保使用完后調(diào)用Dispose()方法
    context.Dispose();
  }

　　上面這段代碼等同于下面這段代碼：

using (SqlDbContext context = new SqlDbContext())
　　{
    //在此作用域內(nèi)使用SqlDbContext類對象context
　　}

　　c++程序員說：“你這還不是要自己手動調(diào)用，如果我忘記調(diào)用 Dispose() 那豈不是一切都玩完！”

　 c#程序員冷笑一聲，“非也，非也，我來傳授你最后一招吧！”

非托管資源最強(qiáng)模式 — 雙劍合璧

　人非圣賢，孰能無過。程序員也會有失手的時(shí)候，比如，忘記調(diào)用 Dispose() 方法...

　　這個(gè)時(shí)候就必須設(shè)計(jì)一個(gè)萬無一失的方法，達(dá)到一個(gè)目的：就是不管有沒有手動調(diào)用Dispose(),非托管資源最終都應(yīng)該被妥妥地釋放掉。為了解決這個(gè)問題，我們可以如下去定義一個(gè)可處置對象類：

//數(shù)據(jù)庫上下文類
    public class SqlDbContext:IDisposable
    {
      //...(其他被引用的對象實(shí)例)

      //類中包含的非托管資源（需要調(diào)用 Dispose()函數(shù)進(jìn)行資源的釋放）
      SqlConnection sqlConnection = new SqlConnection("..."); 

      ~SqlDbContext()
      {
        //這里清除非托管資源
        this.sqlConnection.Dispose();
      }

      public void Dispose()
      {
        //這里清除非托管資源
        this.sqlConnection.Dispose();

        //跳過終結(jié)過程
        GC.SuppressFinalize(this);
      }

　　可以看到，這個(gè)類中即有終結(jié)方法的重寫也有Dispose()方法，這樣就能保證：程序員若忘記調(diào)用Dispose()方法釋放非托管資源，那么對象就會在垃圾回收的過程中調(diào)用終結(jié)方法來釋放非托管資源；若程序員調(diào)用了Dispose()方法，那么 GC.SuppressFinalize(this) 會保證在垃圾回收過程中不再會調(diào)用對象的終結(jié)方法，避免不必要的資源開銷。可謂“雙劍合璧”，保萬無一失。

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