.NET的內(nèi)存分配和釋放解析

王紅偉+王紅紀

摘 要：在面向對象的程序環(huán)境中，任何一個程序都需要使用到計算機資源，程序中的每一個類型都代表著程序需要的資源。程序在使用這些資源過程中，要經(jīng)歷一個分配內(nèi)存給類型資源、初始化內(nèi)存及數(shù)據(jù)類型、訪問數(shù)據(jù)成員信息、銷毀并清理資源、釋放內(nèi)存的過程。

關鍵詞：.NET 內(nèi)存分配 垃圾回收器 內(nèi)存釋放

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（b）-0028-02

在.NET中，內(nèi)存中的資源（即所有二進制信息的集合）分為“托管資源”和“非托管資源”。托管資源必須接受.NET的CLR（通用語言運行時，.NET框架的底層）的管理（諸如內(nèi)存類型安全性檢查），而非托管資源則不必接受.NET的通用語言運行時的管理。.NET對內(nèi)存的管理首先是管理托管資源和非托管資源所占用的內(nèi)存分配和釋放；其次是尋找不再使用的對象，釋放其占用的內(nèi)存，以及釋放非托管資源所占用的內(nèi)存；最后是釋放內(nèi)存之后，出現(xiàn)了內(nèi)存碎片，垃圾回收器移動一些對象，以得到整塊的內(nèi)存，同時所有的對象引用都將被調整為指向對象新的存儲位置。

1 內(nèi)存分配

.NET平臺引入高效的、安全的托管執(zhí)行環(huán)境——通用語言運行時。通用語言運行時管理內(nèi)存的區(qū)域，主要有三塊，依次是：（1）線程的堆棧，用于分配值類型實例對象，它主要由操作系統(tǒng)管理，當值類型實例所在方法結束時，其存儲單位自動釋放，堆棧的執(zhí)行效率高，但存儲容量有限。（2）GC堆（中文名稱垃圾回收，是.NET中對內(nèi)存管理的一種功能），用于分配小對象實例。（3）LOH（Large Object Heap）堆，用于分配大對象實例。

.NET CLR將所有資源分配到托管堆上，當一個線程初始化，運行時將預定一塊未使用連續(xù)的地址空間。這塊地址空間就是托管堆。堆中同時維護著一個指針，我們叫它下一個對象指針。這個指針告訴我們下一個程序對象將被分配到堆中的什么位置。在程序初期，這個指針被設置到最基本的內(nèi)存地址。使用new運算符創(chuàng)建對象時，運行庫都從托管堆為該對象分配內(nèi)存。只要托管堆中有地址空間可用，并且空間中夠用，下一個對象指針將指向堆中的此對象，對象構造函數(shù)被調用，最后返回對象內(nèi)存地址。

2 內(nèi)存釋放與回收

當一個程序使用new操作符創(chuàng)建一個新對象時，可能沒有足夠的地址空間來放置它。為了檢測地址空間是否足夠，托管堆會嘗試把對象放到下一個對象指針位置，如果下一個對象指針移動到超過地址空間邊界，那說明堆已滿，GC則進行垃圾回收。垃圾回收器跟蹤并回收托管內(nèi)存中分配的對象，定期執(zhí)行垃圾回收以回收分配給沒有有效引用的對象的內(nèi)存。當使用可用內(nèi)存不能滿足內(nèi)存請求時，垃圾回收會自動進行。在進行垃圾回收時，垃圾回收器首先搜索內(nèi)存中的托管對象，然后從托管代碼中搜索被引用的對象并標記為有效，接著釋放沒有被標記為有效的對象并收回內(nèi)存，最后整理內(nèi)存將有效對象挪動到一起。

3 內(nèi)存釋放與回收的模式

我們創(chuàng)建的類不包含非托管資源時，只需要直接使用，CLR自然會判斷其生命周期結束而后回收相應的托管資源。但如果我們創(chuàng)建了含有非托管資源的類，CLR提供其他機制來幫助自動釋放非托管資源。在.NET中提供三種模式來回收內(nèi)存資源：dispose模式、finalize方法、close方法。

（1）dispose提供一種顯式釋放內(nèi)存資源的方法。此方法用于更快更具操作性進行釋放，可以使用此方法。結構和類型都可以實現(xiàn)IDispose，因為是對象本身釋放非托管資源，所以可以用對象名來顯式的調用來實現(xiàn)內(nèi)存釋放。所有實現(xiàn)IDisposable接口的類對象都必須調用這一方法。.NET基類庫中許多類型都實現(xiàn)IDisposable接口，有時給這一方法提供另外的別名，例如：輸入輸出類中的Close方法。

（2）finalize方法是.NET的內(nèi)部的一個釋放內(nèi)存資源的方法，由垃圾回收器自己調用。此方法被不斷重寫，原因是一些類通過平臺調用服務或復雜的COM互操作性任務使用了非托管資源。對象類中也有這一方法，但創(chuàng)建的類不能重寫此方法，可以通過析構函數(shù)來達到同樣的效果。這一方法的作用是保證.NET對象能在垃圾回收時清除非托管資源。通用語言運行時在托管堆上分配對象時，運行庫自動確定該對象是否提供一個自定義的Finalize方法。如果是這樣，對象會被標記為可終結的，同時一個指向這個對象的指針被保存在名為終結隊列的內(nèi)部隊列中。終結隊列是一個由垃圾回收器維護的表，它指向每一個在從堆上刪除之前必須被終結的對象。Finalize最大作用是確保非托管資源一定被釋放。

（3）close和dispose其實一樣。一些類中沒有定義dispose的方法，只定義了close方法，而close實質上也是調用了一個私有的dispose方法，而finalize其實也是調用一個不對外公開的dispose方法。

4 內(nèi)存釋放與回收過程

垃圾回收時機：托管堆滿，內(nèi)存分配即將不足。程序員可以手動調用GC.Collect（）。垃圾確認：通過根來尋找可達的對象，并做標記，然后回收沒有標記的對象。垃圾回收：內(nèi)存回收，實現(xiàn)了Finalize方法的對象用此方法實現(xiàn)內(nèi)存回收。內(nèi)存轉移、合并：垃圾回收后使得內(nèi)存不連續(xù)、零碎，.NET會將利用的內(nèi)存合并為連續(xù)的塊，然后更新對象的指針。

5 內(nèi)存釋放與回收時的注意事項

值類型（包括引用和對象實例）和引用類型的對象，當它們出了作用域后會自動釋放所占內(nèi)存。因為它們都保存在“堆?！敝?，這是一種先進后出數(shù)據(jù)結構。引用類型的引用所指向的對象實例保存在“堆”中，而堆因為是一個自由存儲空間，所以它并沒有像“堆?！蹦菢佑猩嫫冢ā岸褩！钡脑貜棾龊缶痛砩嫫诮Y束，也就代表釋放了內(nèi)存），“垃圾回收器”只對這塊區(qū)域起作用。 “垃圾回收器”并不會立即執(zhí)行（當堆中的資源需要釋放時），因為“垃圾回收器”的調用是比較消耗系統(tǒng)資源的，因此，不能經(jīng)常被調用。這時，用戶可以調用方法System.GC.Collect（）來強制執(zhí)行“垃圾回收器”?？蓪崿F(xiàn)Dispose（）方法來顯式釋放由對象使用的所有未托管資源。垃圾收集器在釋放了它能釋放的所有對象后，就會壓縮其他對象，把他們都移動回堆的端部，再次形成一個連續(xù)的塊。

參考文獻

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