.NET/C#/GC与内存管理（含深度解析）

详情请看参考文章：.NET面试题解析(06)-GC与内存管理 - 不灬赖 - 博客园 (cnblogs.com)

一、对象创建及生命周期

一个对象的生命周期简单概括就是：创建>使用>释放，在.NET中一个对象的生命周期：

• new创建对象并分配内存

• 对象初始化

• 对象操作、使用

• 资源清理（非托管资源）

• GC垃圾回收

GC的内存管理的目标主要都是引用类型对象，引用对象都是分配在托管堆上的，托管堆中的对象是顺序存放的，托管堆维护着一个指针NextObjPtr，它指向下一个对象在堆中的分配位置。 托管堆的基本结构，如下图：

以下题代码为例，模拟一个对象的创建过程：

public class User
{public int Age { get; set; }public string Name { get; set; }public string _Name = "123" + "abc";public List<string> _Names;
}

它的的创建工作原理如下

• 对象大小估算，共计40个字节：

• 属性Age值类型Int，4字节；

• 属性Name，引用类型，初始为NULL，4个字节，指向空地址；

• 字段_Name初始赋值了，代码会被编译器优化为_Name=”123abc”。一个字符两个字节，字符串占用2×6+8（附加成员：4字节TypeHandle地址，4字节同步索引块）=20字节，总共内存大小=字符串对象20字节+_Name指向字符串的内存地址4字节=24字节；

• 引用类型字段List<string> _Names初始默认为NULL，4个字节；

• User对象的初始附加成员（4字节TypeHandle地址，4字节同步索引块）8个字节；

• 内存申请：申请44个字节的内存块，从指针NextObjPtr开始验证，空间是否足够，若不够则触发垃圾回收。

• 内存分配：从指针NextObjPtr处开始划分44个字节内存块。

• 对象初始化：首先初始化对象附加成员，再调用User对象的构造函数，对成员初始化，值类型默认初始为0，引用类型默认初始化为NULL；

• 托管堆指针后移：指针NextObjPtr后移44个字节。

• 返回内存地址：返回对象的内存地址给引用变量。

二、GC垃圾回收

GC是垃圾回收（Garbage Collect）的缩写，是.NET核心机制的重要部分。她的基本工作原理就是遍历托管堆中的对象，标记哪些被使用对象（那些没人使用的就是所谓的垃圾），然后把可达对象转移到一个连续的地址空间（也叫压缩），其余的所有没用的对象内存被回收掉。

首先，需要再次强调一下托管堆内存的结构，如下图，很明确的表明了，只有GC堆才是GC的管辖区域。GC堆里面为了提高内存管理效率等因素，有分成多个部分，其中 两个主要部分：

• 0/1/2代：代龄（Generation）；

• 大对象堆(Large Object Heap)，大于85000字节的大对象会分配到这个区域，这个区域的主要特点就是：不会轻易被回收；就是回收了也不会被压缩（因为对象太大，移动复制的成本太高了）；

什么是垃圾？简单理解就是没有被引用的对象。

垃圾回收的基本流程包含以下三个关键步骤：

① 标记

先假设所有对象都是垃圾，根据应用程序根指针Root遍历堆上的每一个引用对象，生成可达对象图，对于还在使用的对象（可达对象）进行标记（其实就是在对象同步索引块中开启一个标示位）。

其中Root根指针保存了当前所有需要使用的对象引用，他其实只是一个统称，意思就是这些对象当前还在使用，主要包含：静态对象/静态字段的引用；线程栈引用（局部变量、方法参数、栈帧）；任何引用对象的CPU寄存器；根引用对象中引用的对象；GC Handle table；Freachable队列等。

② 清除

针对所有不可达对象进行清除操作，针对普通对象直接回收内存，而对于实现了终结器的对象（实现了析构函数的对象）需要单独回收处理。清除之后，内存就会变得不连续了，就是步骤3的工作了。

③ 压缩

把剩下的对象转移到一个连续的内存，因为这些对象地址变了，还需要把那些Root跟指针的地址修改为移动后的新地址。

垃圾回收的过程示意图如下：

垃圾回收的过程是不是还挺辛苦的，因此建议不要随意手动调用垃圾回收GC.Collect()，GC会选择合适的时机、合适的方式进行内存回收的。

非托管资源回收

.NET中提供释放非托管资源的方式主要是：Finalize() 和 Dispose()。

Dispose()：

Dispose需要手动调用，在.NET中有两种调用方式：

//方式1：显示接口调用
SomeType st1=new SomeType();
//do sth
st1.Dispose();//方式2：using()语法调用，自动执行Dispose接口
using (var st2 = new SomeType())
{//do sth
}

第一种方式，显示调用，缺点显而易见，如果程序猿忘了调用接口，则会造成资源得不到释放。或者调用前出现异常，当然这一点可以使用try…finally避免。

一般都建议使用第二种实现方式，他可以保证无论如何Dispose接口都可以得到调用，原理其实很简单，using()的IL代码如下图，因为using只是一种语法形式，本质上还是try…finally的结构。

Finalize() ：终结器（析构函数）

首先了解下Finalize方法的来源，她是来自System.Object中受保护的虚方法Finalize，无法被子类显示重写，也无法显示调用，是不是有点怪？。她的作用就是用来释放非托管资源，由GC来执行回收，因此可以保证非托管资源可以被释放。

简单总结一下：Finalize()可以确保非托管资源会被释放，但需要很多额外的工作（比如终结对象特殊管理），而且GC需要执行两次才会真正释放资源。听上去好像缺点很多，她唯一的优点就是不需要显示调用。

有些编程意见或程序猿不建议大家使用Finalize，尽量使用Dispose代替，我觉得可能主要原因在于：第一是Finalize本身性能并不好；其次很多人搞不清楚Finalize的原理，可能会滥用，导致内存泄露。因此就干脆别用了，其实微软是推荐大家使用的，不过是和Dispose一起使用，同时实现IDisposable接口和Finalize（析构函数），其实FCL中很多类库都是这样实现的
这样可以兼具两者的优点：
如果调用了Dispose，则可以忽略对象的终结器，对象一次就回收了；
如果程序猿忘了调用Dispose，则还有一层保障，GC会负责对象资源的释放；

三、性能优化建议

尽量不要手动执行垃圾回收的方法：GC.Collect()

垃圾回收的运行成本较高（涉及到了对象块的移动、遍历找到不再被使用的对象、很多状态变量的设置以及Finalize方法的调用等等），对性能影响也较大，因此我们在编写程序时，应该避免不必要的内存分配，也尽量减少或避免使用GC.Collect()来执行垃圾回收，一般GC会在最适合的时间进行垃圾回收。

而且还需要注意的一点，在执行垃圾回收的时候，所有线程都是要被挂起的（如果回收的时候，代码还在执行，那对象状态就不稳定了，也没办法回收了）。

推荐Dispose代替Finalize

如果你了解GC内存管理以及Finalize的原理，可以同时使用Dispose和Finalize双保险，否则尽量使用Dispose。

选择合适的垃圾回收机制：工作站模式、服务器模式

个人学习总结：

首先了解对象的创建及生命周期

• new创建对象并分配内存

• 对象初始化

• 对象操作、使用

• 资源清理（非托管资源）

• GC垃圾回收

其次了解分配到托管堆的基本流程

对象大小估算

内存申请

内存分配

对象初始化

托管堆指针后移

返回内存地址

然后GC的基本工作原理就是遍历托管堆内的所有的引用对象，标记被使用过的对象(也叫可达对象)，然后清除不可达对象(清除之后内存变得不再连续），然后把可达对象转移到一个连续的地址空间(也叫压缩)

最后关于GC的一些接口建议：

尽量不要手动执行垃圾回收的方法：GC.Collect()

推荐Dispose代替Finalize

如果你了解GC内存管理以及Finalize的原理，可以同时使用Dispose和Finalize双保险，否则尽量使用Dispose。