dotnet学习笔记四 - 无用单元回收

我们平常写程序很少自己去写资源管理的，除非写非常大型的应用程序，或者大公司自己的sdk。看到过PGP源代码的一定知道，PGP的SDK就实现了自己的内存管理。自己管理内存烦恼实在多多，忘记释放了，释放了又再次访问的bug层出不穷，这种bug又非常难查。普通的逻辑bug，简单测试发现程序没有按照预想的运行就可以找到。但是内存的问题却很难发现。过去很多公司也为解决这方面的问题作过很大努力，比如Compuware的BoundsChecker，Rational的Purify。这些工具使用起来也很困难，经常找到的点都是你用的开发库的代码。现在.NET提供了全套的资源管理（无用资源回收：Garbage Collection，简称GC），能够让我们从中解脱出来，把精力用在自己应该解决的业务问题上去。当然它不是万能的，我们最好多了解他的原理，以便我们可以更好的享用它。

系统资源不是无限的，内存用完要释放，文件，网络连接都是系统资源，用完之后也要释放。在面向对象的系统中，所有的东西都是对象，所以使用任何资源都要从系统分配内存，最后释放它。使用资源的过程无外乎五个步骤：

1.         为代表资源的类型分配内存；

2.         初始化资源状态，请求非内存系统资源（如打开文件，建立网络连接等）；

3.         通过访问类型的实例（对象）及其成员变量、方法等来访问资源；（可能多次）

4.         清空资源状态，释放系统资源（如关闭文件，关闭网络连接等）；

5.         释放内存

我们遇到的内存问题一般都在上面的五个步骤中，.NET提供的无用单元回收（GC）机制基本上都可以解决这些问题。不过GC是不知道如何清空资源状态和释放系统资源的（即上面的第四步），这就要利用到Finalize方法，这个我们后面讨论。当然，大部分对象，如字符串等是无需这第四步的。

CLR实现了一个托管堆（Managed Heap），要求所有的资源都必须从这个堆中分配，并且无需释放。下面就详细说明对象是如何在堆中分配，GC又是如何做无用单元回收的。

CLR在进程初始化时，保留一块连续的内存，这块连续的内存就是托管堆。CLR同时为托管堆维护一个指针，这个指针永远指向下一个可以分配的内存空间，我们这里叫NextObjPtr。

当程序适用new创建一个对象时，new首先确认堆中是否有足够的内存空间，如果有的话，则为对象分配空间，调用对象的构造函数，返回分配空间的地址，接着NextObjPtr指向剩余空间的地址，即下一个可以分配的地址。如下图：

图中虚线是NextObjPtr的起始地址，分配对象C成功并返回地址后，NextObjPtr移到实线的位置。

再让我们看看普通应用程序的堆内存分配方式。普通的内存分配方式维护一个空闲内存列表，系统首先遍历空闲空间列表，找到一个足够大的空间，然后将其拆分出足够的空间分配，然后再将剩下的空间加入到空闲空间列表。在历史上有很多的实现进程堆内存分配的算法，比如比较著名的二分法等等。但是比较来看，.NET的内存分配方法要快的多。

不过内存不是无限的，堆的空间分配光了怎么办？CLR在分配内存的时候，如果发现堆中的空闲空间不足时，就会启动无用空间回收。GC将堆中不再被使用的对象占用的内存释放掉，然后将堆整理，使其剩下连续的空间以待分配，当然如果没有可以释放的对象或者释放后内存还是不够的话，就抛出OutOfMemoryException异常。GC是如何断定一个对象不再被使用了呢？

每一个应用都有一组根，这些根包括了标示托管堆中一组对象的存储单元。被认为是根的对象包括：

1.         所有的全局和静态对象；

2.         一个线成栈中的局部对象和函数的参数；

3.         任何CPU寄存器包含的指针指向的对象；

上面根的列表由JIT和CLR维护并且GC可以访问。

开始无用单元回收后GC就开始遍历根，找到第一个根指向的对象，沿着这个对象向下找，找到这个对象所有引用的对象，以及引用之引用，并将其放入到一个集合中。这一个完成后，就接着找下一个根。一旦GC发现某个对象已经在集合中，就停止这个分支的搜寻以防止重复和引用死循环。

完成后，GC就有了一个所有根可以访问到的对象的集合，这个集合中没有的对象就认为是无用的。如下图：

GC的集合包括了对象A、B、D、F，而对象C、E、G就是无用对象，GC将释放其资源。GC接着遍历堆中的所有对象，释放无用对象，并将有用对象向内存的地位移动（据说使用的memcpy），以保证空闲空间的连续性。NextObjPtr就被指向空闲空间的开始地址。这样做会使一些对象的引用地址失效，GC负责更正这些指针。回收后的堆如下图：

这一次回收所作的工作不可谓不复杂，消耗的CPU时间也是很多。不过还好，它不是时时刻刻都在运行，而是只在堆满了之后才回收（实际上是Generation 0满了之后，Generation我将在接下来的文章讨论），其他分配内存的时候还是非常快的。而且.NET提供丰富的设置来提高无用单元回收的效率。

我将在下一节讨论Finalization和Generation，强引用，弱引用。

本文地址：http://com.8s8s.com/it/it45519.htm