.NET C#基础（9）：资源释放 - 需要介入的资源管理

1. 什么是IDisposable？

  IDisposable接口是一个用于约定可进行释放资源操作的接口，一个类实现该接口则意味着可以使用接口约定的方法Dispose来释放资源。其定义如下：

public interface IDisposable
{
    void Dispose();
}

  上述描述中可能存在两个问题：

  1. 什么是“资源”？

  2. C#是一个运行在含有垃圾回收（GC）平台上的语言，为什么还需要手动释放资源？

1.1 资源

  资源包括托管资源和非托管资源，具体来说，它可以是一个普通的类实例，是一个数据库连接，是一个文件指针，或者是一个窗口的句柄等等。不太准确地说，你可以理解为就是程序运行时用到的各种东西。

1.2 为什么要手动释放资源

  对于托管资源，通常来说由于有GC的帮助，可以自动释放回收而无需程序员手动管理。然而，由于C#允许使用非托管资源，这些非托管资源不受GC的控制，无法自动释放回收，因此对于这类资源，就要程序员进行手动管理。

（ps：CLR，Common Language Runtime，即C#编译后的IL代码的运行平台）

  如果你写过C++，这就相当于应该在实例销毁时释放掉成“new”出来的分配到堆上的资源，否则资源将一直保留在内存中无法释放，导致内存泄漏等一系列问题。

  在C++中，通常将资源释放的操作放置在类的析构函数中，但C#并没有析构函数这一概念，因此，C#使用IDisposable接口来对资源释放做出约定——当程序员看到一个类实现IDisposable接口时，就应该想到在使用完该类的实例后就应该调用其Dispose方法来及时释放资源。

  对于实现了IDispose接口的类，在C#中你通常可以采用如下方式来释放资源：

  1：try...finally

UnmanagedResource resource = /* ... */;

try
{
    // 各种操作
}
finally
{
    resource.Dispose();
}

（注：在finally中释放是为了确保即便运行时出错也可以顺利释放资源）

  2：using

using (UnmanagedResource resource = /* ... */)
{
    // 离开using的作用域后会自动调用resource的Dispose方法
}

// 或者如果不需要额外控制作用域的简写
using UnmanagedResource resource = /* ... */;

（ps：实际上，哪怕不实现IDisposable接口，只要类实现了public void Dispose()方法都可以使用using进行管理）

2. 如何实现IDisposable

2.1 不太完美的基本实现

  你可能还会认为IDisposable很容易实现，毕竟它只有一个方法需要实现，并且看上去只要在方法里释放掉需要释放的资源即可：

class UnmanagedResource : IDisposable
{
    public void Dispose()
    {
        // 释放需要释放的资源
    }
}

  通常来说这样做也不会有什么大问题，然而，有几个问题需要考虑。接下来将逐步阐述问题并给出解决方案。

2.2 如果使用者忘记了调用Dispose方法释放资源

  尽管程序员都应该足够细心来保证他们对那些实现了Disposable接口的类的实例调用Dispose方法，但是，出于各种原因，或许是他是一名新手，或许他受到老板的催促，或许他昨天没睡好等等，这些都可能导致他没有仔细检查自己的代码。

永远不要假设你的代码会被一直正确地使用，总得留下些兜底的东西，提高健壮性——把你的用户当做一个做着布朗运动的白痴，哪怕他可能是个经验丰富的程序员，甚至你自己。

  对于这样的问题，最自然的想法自然是交给GC来完成——如果程序员忘记了调用Dispose方法释放资源，就留着让GC来调用释放。还好，C#允许你让GC来帮助你调用一些方法——通过终结器。

  关于终结器的主题会是一个比较复杂的主题，因此在这里不展开讨论，将更多的细节留给其他主题。就本文而言，暂时只需要知道终结器的声明方法以及GC会在“某一时刻”自动调用终结器即可。（你或许想问这个“某一时刻”是什么时候，这实际上是需要交给复杂主题来讨论的话题）

  声明一个终结器类似于声明一个构造方法，但是需要在方法的类名前添加一个~。如下：

class UnmanagedResource : IDisposable
{
    // UnmanagedResource的终结器
    ~UnmanagedResource()
    {
        // 一些操作
    }
}

    关于终结器，下面是一些你需要知道的：

    1：一个类中只能定义一个终结器，且终结器不能有任何访问修饰符（即不能添加public/private/protected/internal）

    2：永远不要手动调用终结器（实际上你也无法这么做）

  由于GC会在某一个时刻自动调用终结器，因此如果在终结器中调用Dispose方法，即使有粗心的程序员忘记了手动释放资源，GC也会在某一时刻来帮他们兜底。如下：

class UnmanagedResource : IDisposable
{
    public void Dispose()
    {
        // 释放需要释放的资源
    }  

    ~UnmanagedResource()
    {
        // 终结器调用Dispose释放资源
        Dispose();
    }
}

2.3 手动调用了Dispose后，终结器再次调用Dispose

  当你手动调用了Dispose方法后，并不表示你就告诉了GC不要再调用它的终结器，实际上，在你调用Dispose方法后，GC还是会在某一时刻调用终结器，而由于我们在终结器里调用了Dispose方法，这会导致Dispose方法再次被调用——Double Free！

  当然，要解决这一问题非常简单，只需要用一个字段来表明资源是否被释放，并在Dispose方法里检查这个字段的值，一旦发现已经释放则过就立刻返回。如下：

class UnmanagedResource : IDisposable
{
    public void Dispose()
    {
        // 如果已经释放过就立刻返回
        if (_disposed)
        {
            return;
        }

        // 释放需要释放的资源

        // 标记已释放
        _disposed = true;
    }  

    ~UnmanagedResource()
    {
        Dispose();
    }

    // 用于标记是否已经释放的字段
    private bool _disposed;
}

  这样可以解决资源被重复释放的问题，但是这还是无法阻止GC调用终结器。当然你或许会认为让GC调用终结器没什么问题，毕竟我们保证了Dispose重复调用是安全的。不过，要知道终结器是会影响性能的，因此为了性能考虑，我们还是希望在Dispose方法调用后阻止终结器的执行（毕竟这时候已经不需要GC兜底了）。而要实现这一目标十分简单，只需要在Dipose方法中使用GC.SuppressFinalize(this)告诉GC不要调用终结器即可。如下：

class UnmanagedResource : IDisposable
{
    public void Dispose()
    {
        if (_disposed)
        {
            return;
        }

        // 释放需要释放的资源

        _disposed = true;

        // 告诉GC不要调用当前实例（this）的终结器
        GC.SuppressFinalize(this);
    }  

    ~UnmanagedResource()
    {
        Dispose();
    }

    private bool _disposed;
}

  这样，如果调用了Dispose方法，就会“抑制”GC对终结器的调用；而让终结器调用Dispose也不会产生什么问题。

2.4 不是任何时候都需要释放所有资源

  考虑一个比较复杂的类：

class UnmanagedResource : IDisposable
{
   // 其他代码

    private FileStream _fileStream;
}

  上述例子中，FileStream是一个实现了IDisposable的类，也就是说，FileStream也需要进行释放。UnmanagedResource不仅要释放自己的非托管资源，还要释放FileStream。你或许认为只需要在UnmanagedResource的Dispose方法中调用一下FileStream的Dispose方法就行。如下：

class UnmanagedResource : IDisposable
{
    // 其它代码    

    public void Dispose()
    {
        // 其他代码

        _fileStream.Dispose();

        // 其它代码
    }

    private FileStream _fileStream;
}

  咋一看没什么问题，但是考虑一下，如果UnmanagedResource的Dispose方法是由终结器调用的会发生什么？

  提示：终结器的调用是无序的。

  是的，很可能FileStream的终结器先被调用了，执行过了其Dispose方法释放资源，随后UnmanagedResource的终结器调用Dispose方法时会再次调用FileStream的Dispose方法——Double Free, Again。

  因此，如果Dispose方法是由终结器调用的，就不应该手动释放那些本身就实现了终结器的托管资源——这些资源的终结器很可能先被执行。仅当手动调用Dispose方法时才手动释放那些实现了终结器的托管资源。

  我们可以使用一个带参数的Dispose方法，用一个参数来指示Dispose是否释放托管资源。稍作调整，实现如下：

class UnmanagedResource : IDisposable
{
    // 其它代码
    private void Dispose(bool disposing)
    {
        // 其他代码

        if (disposing)
        {
            // 释放托管资源
            _fileStream.Dispose();
        }

        // 释放非托管资源

        // 其它代码
    }
}

  上述代码声明了一个接受disposing参数的Dispose(bool disposing)方法，当disposing为true时，同时释放托管资源和非托管资源；当disposing为false时，仅释放托管资源。另外，为了不公开不必要的接口，将其声明为private。

  接下来，只需要在Dispose方法和终结器中按需调用Dispose(bool disposing)方法即可。

class UnmanagedResource : IDisposable
{
    // 其它代码

    public void Dispose()
    {
        // disposing=true，手动释放托管资源
        Dispose(true);
        GC.SuppressFinalize(this);
    }    

    ~UnmanagedResource()
    {
        // disposing=false，不释放托管资源，交给终结器释放
        Dispose(false);
    }

    private void Dispose(bool disposing)
    {
        if (_disposed)
        {
            return;
        }

        if (disposing)
        {
            // 释放托管资源
        }

        // 释放非托管资源

        _disposed = true;
    }
}

2.5 考虑一下子类的资源释放

  考虑一下如果有UnmanagedResource的子类：

class HandleResource : UnmanagedResource
{
    private HandlePtr _handlePtr;
}

  HandleResource有自己的资源HandlePtr，显然如果只是简单继承UnmanagedResource的话，UnmanagedResource的Dispose方法并不能释放HandleResource的HandlePtr。

  那么怎么办呢？使用多态，将UnmanagedResource的Dispose方法声明为virtual并在HandleResource里覆写；或者在HandleResource里使用new重新实现Dispose似乎都可以：

// 使用多态
class UnmanagedResource : IDisposable
{
    public virtual void Dispose() { /* ... */}
}
class HandleResource : UnmanagedResource
{
    public override void Dispose() { /* ... */}
}

// 重新实现
class UnmanagedResource : IDisposable
{
    public void Dispose() { /* ... */}
}
class HandleResource : UnmanagedResource
{
    public new void Dispose() { /* ... */}
}

  这两种方法似乎都可行，但是一个很大的问题是，你还得对HandleResource重复做那些在它的父类UnmanagedResource做过的事——解决重复释放、定义终结器以及区分对待托管和非托管资源。

  这太不“继承了”——显然，有更好的实现方法。

  答案是：将UnmanagedResource的的Dispose(bool disposing)方法访问权限更改为protected，并修饰为virtual，以让子类访问/覆盖：

class UnmanagedResource : IDisposable
{
    protected virtual void Dispose(bool disposing) { /* ... */ }
}

  这样，子类可以通过覆写Dispose(bool disposing)来实现自己想要的释放功能：

class UnmanagedResource : IDisposable
{
    protected override void Dispose(bool disposing)
    {
        // 其他代码

        base.Dispose(disposing);
    }
}

（ps：建议先释放子类资源，再释放父类资源）

  由于Dispose(bool disposing)是虚方法，因此父类UnmanagedResource的终结器和Dispose方法中对Dispose(bool disposing)的调用会受多态的影响，调用到正确的释放方法，故子类可以不必再做那些重复工作。

3. 总结

3.1 代码总览

class UnmanagedResource : IDisposable
{
    // 对IDisposable接口的实现
    public void Dispose()
    {
        // 调用Dispose(true)，同时释放托管资源与非托管资源
        Dispose(true);
        // 让GC不要调用终结器
        GC.SuppressFinalize(this);
    }    

    // UnmanagedResource的终结器
    ~UnmanagedResource()
    {
        // 调用Dispose(false)，仅释放非托管资源，托管资源交给GC处理
        Dispose(false);
    }

    // 释放非托管资源，并可以选择性释放托管资源，且可以让子类覆写的Dispose(bool disposing)方法
    protected virtual void Dispose(bool disposing)
    {
        // 防止重复释放
        if (_disposed)
        {
            return;
        }

        // disposing指示是否是否托管资源
        if (disposing)
        {
            // 释放托管资源
        }

        // 释放非托管资源

        // 标记已释放
        _disposed = true;
    }
}

参考资料/更多资料：

【1】：IDisposable 接口

【2】：实现 Dispose 方法