2019.03.27 读书笔记 关于GC垃圾回收

在介绍GC前，有必要对.net中CLR管理内存区域做简要介绍：

　　1、 堆栈：用于分配值类型实例。堆栈主要操作系统管理，而不受垃圾收集器的控制，当值类型实例所在方法结束时，其存储单位自动释放。栈的执行效率高，但存储容量有限。

　　2 、GC堆：用于分配小对象实例。如果引用类型对象实例的大小小于85000字节，实例将被配置在GC堆上，当有内存分配或者回收时，垃圾收集器可能会对GC堆进行压缩。

　　3、 LOH：large object heap，用于分配大对象实例。如果引用类型对象的实例的大小不小于85000字节时，该实例将被分配到LOH堆上，而LOH堆不会被压缩，而且只在完全GC回收时被回收。

首先总结一下垃圾回收的几种方式：

1 内存不足溢出时，更确切的应该说是第0代对象充满时。

2 调用GC.Collect方法强制执行垃圾回收。（一般不要执行此方法）

3 Windows报告内存不足时，CLR将强制执行垃圾回收。

4 CLR卸载AppDomain时，GC将对所有代龄的对象执行垃圾回收。

5 其他情况，如物理内存不足，超出短期存活代的内存段门限，运行主机拒绝分配内存等。

什么是垃圾？一个对象成为“垃圾”表示该对象不被任何其他对象所引用。因此GC必须采用一定的算法在托管堆中遍历所有对象，最终形成一个可达对象图，而不可达的对象将成为被释放的垃圾对象等待收集。

GC如何回收垃圾？.net平台下，每个应用程序都有一组根（指针），它指向托管堆中的存储位置，由JIT编译器和CLR运行时维护根指针列表，主要包括全局变量、静态变量、局部变量和寄存器指针等。GC正是通过根指针列表来获得托管堆中的对象图，其中定义了应用程序根引用的托管堆中的对象，当GC启动时，它假设所有对象都是可回收的垃圾，开始遍历所有的根，将根引用的对象标记为可达对象添加到可达对象图中，在遍历过程中，如果根引用的对象还引用着其他对象，则该对象也被添加到可达对象图中，依次类推，GC通过根列表的递归遍历，将能找到所有可达对象，并形成一个可达对象图。同时那些不可达对象则被认为是可回收对象，GC接着运行垃圾收集进程来释放垃圾对象的内存空间。这种收集算法称为：标记和清除收集算法。

垃圾回收运行机制：

　　垃圾收集器将托管堆中对象分为三代：0、1和2，在CLR初始化时，会选择为三代设置不同的阙值容量,一般为：第0代大约为256KB，第1代2MB，第2代10MB。容量越大效率越低，而GC收集器会自动调节其阙值容量来提升执行效率。在CLR初始化后，首先添加到托管堆中的对象都被定位第0代对象，当有垃圾回收执行时，未被回收的对象代龄将提升一级，变成第1代对象，而后新建对象仍未第0代对象。代龄越小表示对象越新，通常情况下其生命周期也最短，因此GC总是先收集第0代的不可达对象内存。

　　随着对象的不断创建，垃圾收集再次启动时则只会检查0代对象并回收0代垃圾对象。而1代对象由于未达到1代容量阙值，则不会进行垃圾回收操作，从而有效地提高了垃圾收集的效率，而这也是代龄机制在垃圾回收中的性能优化作用。当第0代对象释放的内存不足以创建新的对象，同时1代对象的体积也超出了容量阙值是，垃圾收集器将同时对0代和1代对象进行垃圾回收。回收之后，未被回收的1代对象变化2级对象，未被回收的0代对象升级为1代对象，而后新建的对象仍为第0代对象。

注：微软强烈建议不要通过GC.Collect方法来强制执行垃圾收集，这样会妨碍GC本身的工作方式，通过Collect会使对象代龄不断提升，扰乱应用程序的内存使用。只有在明确知道有大量对象停止引用时，才考虑使用GC.Collect方法来调用收集器。

上面是垃圾管理器GC清理托管资源所涉及的一些机理，然而对于非托管资源，需要开发者手动清理，方法主要有：Finalize方法和Dispose方法。

Finalize：

Finalize方法又称为终止化操作：通过对自定义类型实现一个Finalize方法来释放非托管资源，而终止化操作在对象的内存回收之前通过调用Finalize方法来释放资源。在析构函数中重写Finalize方法，当垃圾管理器启动时，对于判定为可回收的垃圾对象，GC会自动执行其Finalize方法清理非托管资源。

Finalize的缺点是：

终止化操作的时间无法控制，执行顺序也不能保证。

Finalize方法会极大的损失性能，GC使用一个终止话队列的内部结构来跟踪具有Finalize方法的对象。

重写finalize方法的类型对象，其引用类型对象的代龄将被提升，带来内存压力。

Dispose：

Dispose模式的实现是：定义的类型必须实现System.IDisposable接口，该接口中定义了一个公有无参数的Dispose方法，程序设计者可以在Dispose方法中实现对非托管资源的清理工作。

总结：

在.net中，在堆栈上分配的资源在调用结束后，其内存自动会释放。

托管堆中的资源，由CLR的垃圾管理器进行清理操作。

对于非托管资源，必须由程序设计者进行操作，而对于Finalize和Dispose，最好采用Dispose方法。

关于IDispose：

开发者自定义的对象分为：普通对象（如果需要手动释放也可以实现IDispose接口），含非托管资源的非普通对象（必须实现IDispose接口且必须有析构函数）。

接口IDispose主要实现Dispose()无参函数，真正实现释放资源的是虚函数Dispose(bool disposing) ,当手动调用Dispose()时，是调用的Dispose(true),而在析构函数中调用的是Dispose(false)（防止程序员忘记手动释放）。

/// <summary>
        /// 非密封类修饰用protected virtual
        /// 密封类修饰用private
        /// </summary>
        /// <param name="disposing"></param>
        protected virtual void Dispose(bool disposing)
        {
            if (disposed)
            {
                return;
            }
            if (disposing)//传true或false只是释放托管资源
            {
                // 清理托管资源
                if (managedResource != null)
                {
                    managedResource.Dispose();
                    managedResource = null;//指向null
                }
            }
            // 清理非托管资源
            if (nativeResource != IntPtr.Zero)
            {
                Marshal.FreeHGlobal(nativeResource);
                nativeResource = IntPtr.Zero;//
            }
            //让类型知道自己已经被释放
            disposed = true;
        }

　　

在.NET中每次使用new操作符创建对象时，CLR都会为该对象在堆上分配内存。对于没有继承IDisposable接口的类型对象，垃圾回收器则会直接释放对象所占用的内存：而对于实现了Dispose模式的类型，每次创建对象的时候，CLR都会将该对象的一个指针放到终结列表中，垃圾回收器在回收该对象的内存前，首先将终结列表中的指针放到一个freachable队列中。同时，CLR还会分配专门的线程读取freachable队列，并调用对象的终结器，只有这个时候对象才会真正被识别为垃圾，并且在下一次进行垃圾回收时释放对象所占的内存。

可见，实现了Dispose模式的类型对象，起码要经过两次垃圾回收才能真正地被回收掉，应为垃圾回收机制会安排CLR调用终结器。基于这个特点，如果我们的类型提供了显式释放的方法来减少一次垃圾回收，同时也可以在终结器中提供隐式清理，以避免调用者忘记调用该方法而带来的资源泄漏。

注意：有的文档中，终结器也称为析构器。析构器的叫法沿袭了C++中的称谓，因为两者形式非常接近，但两者实现机制还是不太一致，所以后来微软确定这个方法在C#中的名称为终结器。

如果调用者已经调用Dispose方法进行了显式地资源释放，那么，隐式资源释放（就是终结器）就没有必要再运行了。FCL中的类型GC提供了静态方法SuppressFinalize来通知垃圾回收器这一点。

如果父类实现了IDispose接口，且子类也有非托管资源，那么子类要重写Dispose方法，且在Dispose(bool disposing)中调用base.Dispose()，来清理父类的非托管。

为什么要区别对待托管资源和非托管资源呢？在这个问题前，我们首先要弄明白：托管资源需要手工清理吗？不妨将C#中的类型分为两类，一类继承了IDisposable接口，一类则没有继承。前者，暂时称为非普通类型，后者称为普通类型。非普通类型因为包含非托管资源，所以它需要继承IDisposable接口，但是，这里包含非托管资源的类型本身，它是一个托管资源。所以，托管资源中的普通类型不需要手动清理，而非普通类型是需要手工清理的（即调用Dispose方法）。

Dispose模式设计的思路是：如果调用者显式调用了Dispose方法，那么类型就应该按部就班地将自己的资源全部释放。如果调用者忘记调用Dispose方法，那么类型就假设自己的所有托管资源（哪怕是那些非普通类型）会全部都交给垃圾回收器回收，所以不进行手工清理。所以在Dispose方法中，虚方法传入参数true，在终结器中，虚方法传入参数false。

https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/garbage-collection/fundamentals