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C#.NET:記憶體管理story的圖文程式碼介紹

黄舟
黄舟原創
2017-03-04 10:25:112017瀏覽


前言

.net运行库通过垃圾回收器自动处理回收托管资源,非托管的资源需要手动编码处理。理解内存管理的工作原理,有助于提高应用程序的速度和性能。废话少说,切入正题。主要阐述的概念见下图:




C#.NET:記憶體管理story的圖文程式碼介紹



#概念 
記憶體
:又稱為虛擬記憶體,或
虛擬位址空間
,windows使用虛擬定址系統,在後台自動將可用的記憶體位址對應到硬體記憶體中的實際位址上,其結果是32位元處理器上的每個行程都可以使用4GB的內存,用來存放程式的所有部分,包括可執行程式碼(exe檔),程式碼載入的所有DLL,程式運行時使用的所有變數的內容。

記憶體堆疊  在進程的虛擬記憶體中,存在的一個變數的生存期必須嵌套的區域。

記憶體堆疊

 在進程的虛擬記憶體中,在方法退出後的很長一段時間內資料仍是可用的區域。

託管資源

 垃圾回收器在後台能自動處理的資源


非託管資源
 需要手動編碼,透過析構函數,Finalize, IDisposable,Using等機製或方法處理的資源。 記憶體堆疊
 值型別資料儲存在記憶體堆疊中,引用型別的實例位址值也放在記憶體堆疊中(見記憶體堆疊的討論),記憶體棧的工作原理,透過下面一段程式碼理解:

{ //block1开始
    int a;    //solve something
    {//block2开始
       int b;       // solve something else
    }//block2结束}//block1结束

以上程式碼注意2點:

 1)C#中變數的作用域,遵循先宣告的後超出作用域,後宣告的先超出作用域,即b先釋放,a後釋放,釋放順序總是與它們分配記憶體的順序相反。
 2)b在一個單獨的區塊作用域(
block2C#.NET:記憶體管理story的圖文程式碼介紹)中,而a所在的區塊名稱為
block1
,其內嵌套著
block2

 
 請看下面示意圖:













##在堆疊記憶體管理中,總是維護著一個堆疊指針,它總是指向站區域中下一個可用的位址,名字為

sp######,如圖所示,假定它指向編號為1000的地址。 ### 變數###a### 首先入棧,假定機子是32位的,int型佔4個字節,即997~1000,入棧後,sp指向996,可見內存棧的增長方向為從高地址向低地址方向。 ### 接著b入棧,佔據993~996,sp指向992。當超越區塊###block2### 時,變數b立即釋放在記憶體堆疊上的存儲,sp增加4個字節,指向996。 ### 向外走,超越區塊###block1### 時,變數###a### 立即釋放,此時sp再增加4個位元組,指向原來的初始位址1000,後面再入堆疊時,這些地址再被佔用,然後再被釋放,循環往復。 #########記憶體堆疊######### 儘管堆疊有非常高的效能,但對於所有的變數它還是​​不太靈活,因為位於記憶體堆疊上的變數的生存期必須嵌套。許多情況下,這種要求過於苛刻,因為我們希望有些資料在方法退出後的很長一段時間內還是可用的。 ### 只要是用###new###運算子來請求的堆疊儲存空間,就滿足資料宣告期延遲性,例如所有的參考類型。在.net中使用###託管堆###來管理記憶體堆上的資料。 ### .net中的託管堆和C++使用的堆不同,它在垃圾回收器的控制下工作,而C++的堆是低級的。 ### 既然引用類型的資料儲存在託管堆上,那麼它們是如何儲存的呢?請看下面程式碼 ### ###
void Shout()
{
   Monkey xingxing; //猴子类
   xingxing = new Monkey();
}
###  在這段程式碼中,假定兩個類別Monkey和AIMonkey,其中AIMonkey類別擴充了Monkey物件。 ###   ###  ###在這裡,我們稱Monkey為一個對象,稱xingxing為它的一個實例。 ### ###   ###  首先,宣告了一個Monkey引用xingxing,在堆疊上給這個引用分配儲存空間,記住這僅是一個引用,而不是實際的Monkey物件。記住這一點很重要! ! ! ###  然後看下第2行程式碼:###
xingxing = new Monkey();
###  它完成的操作:首先,它分配堆上的內存,以儲存Monkey對象,注意了! ! !這是一個真正的對象,它不是一個佔用4個位元組的位址! ! !  假定Monkey物件佔用64個位元組,這64個位元組包含了Monkey實例的字段,和.NET中用於識別和管理Monkey類別實例的一些資訊。這64個位元組實在記憶體堆上分配的,假定記憶體堆上的位址1937~2000。 new運算子回傳一個記憶體位址,假定為997~1000,並賦值給xingxing。示意圖如下: ######
C#.NET:記憶體管理story的圖文程式碼介紹


记住一点:
 与内存栈不同的是,堆上的内存是向上分配的,由低地址到高地址。
 从上面的例子中,可以看出建立引用实例的过程要比建立值变量的过程更复杂,系统开销更大。那么既然开销这么大,它到底优势何在呢?引用数据类型强大到底在哪里???
 
 请看下面代码:

 {//block1
    Monkey xingxing; //猴子类
    xingxing = new Monkey();
    {//block2
      Monkey jingjing = xingxing; //jingjing也引用了Monkey对象
      //do something
    }    //jinjing超出作用域,它从栈中删除
    //现在只有xingxing还在引用Monkey}//xingxing超出作用域,它从栈中删除//现在没有在引用Monkey的了

  把一个引用实例的值xingxing赋值予另一个相同类型的实例jingjing,这样的结果便是有两个引用内存中的同一个对象Monkey了。当一个实例超出作用域时,它会从栈中删除,但引用对象的数据还是保留在堆中,一直到程序终止,或垃圾回收器回收它位置,而只有该数据不再有任何实例引用它时,它才会被删除!
  随便举一个实际应用引用的简单例子:
  

//从界面抓取数据放到list中List<Person> persons = getPersonsFromUI();
//retrieve these persons from DBList<person> personsFromDB = retrievePersonsFromDB();
//do something to personsFromDBgetSomethingToPersonsFromDB();

  请问对personsFromDB的改变,能在界面上及时相应出来吗?  
   不能!
  请看下面修改代码:

//从界面抓取数据放到list中List<Person> persons = getPersonsFromUI();
//retrieve these persons from DBList<Person> personsFromDB = retrievePersonsFromDB();
int cnt = persons.Count;for(int i=0;i<cnt;i++)
{
  persons[i]= personsFromDB [i] ;
} 
//do something to personsFromDBgetSomethingToPersonsFromDB();

 修改后,数据能立即响应在界面上。因为persons与UI绑定,所有修改在persons上,自然可以立即响应。
  这就是引用数据类型的强大之处,在C#.NET中广泛使用了这个特性。这表明,我们可以对数据的生存期进行非常强大的控制,因为只要保持对数据的引用,该数据就肯定位于堆上!!!
  这也表明了基于栈的实例与基于堆的对象的生存期不匹配!

垃圾回收器 GC

   内存堆上会有碎片形成,.NET垃圾回收器会压缩内存堆,移动对象和修改对象的所有引用的地址,这是托管的堆与非托管的堆的区别之一。
   .NET的托管堆只需要读取堆指针的值即可,但是非托管的旧堆需要遍历地址链表,找出一个地方来放置新数据,所以在.NET下实例化对象要快得多。
  堆的第一部分称为第0代,这部分驻留了最新的对象。在第0代垃圾回收过程中遗留下来的旧对象放在第1代对应的部分上,依次递归下去。。。

承上启下

  以上部分便是对托管资源的内存管理部分,这些都是在后台由.NET自动执行的。下面看下非托管资源的内存管理,比如这些资源可能是UI句柄,network连接,文件句柄,Image对象等。.NET主要通过三种机制来做这件事。分别为析构函数、IDisposable接口,和两者的结合处理方法,以此实现最好的处理结果。下面分别看一下。

析构函数

  C#编译器在编译析构函数时,它会隐式地把析构函数的代码编译为等价于Finalize()方法的代码,并确定执行父类的Finalize()方法。看下面的代码:

public class Person
{
   ~Person()
   {      //析构实现
   }
}

~Person()析构函数生成的IL的C#代码:

protected override void Finalize()
{   try
   {      //析构实现
   }   finally
   {     base.Finalize();
   }
}

  放在finally块中确保父类的Finalize()一定调用。
  C#析构函数要比C++析构函数的使用少很多,因为它的问题是不确定性。在销毁C++对象时,其析构函数会立即执行。但由于C#使用垃圾回收器,无法确定C#对象的析构函数何时执行。如果对象占用了 宝贵的资源,而需要尽快释放资源,此时就不能等待垃圾回收器来释放了。
  第一次调用析构函数时,有析构函数的对象需要第二次调用析构函数,才会真正删除对象。如果频繁使用析构,对性能的影响非常大。

IDisposable接口

  在C#中,推荐使用IDisposable接口替代析构函数,该模式为释放非托管资源提供了确定的机制,而不像析构那样何时执行不确定。
  假定Person对象依赖于某些外部资源,且实现IDisposable接口,如果要释放它,可以这样:

class Person:IDisposable
{  public void Dispose()
  {    //implementation
  }
}

Person xingxing = new Person();//dom somethingxingxing .Dispose();

  上面代码如果在处理过程中出现异常,这段代码就没有释放xingxing,所以修改为:

Person xingxing = null;try{
   xingxing  = new Person();   //do something}finally{   if(xingxing !=null)
    {
        xingxing.Dispose();
    }
}

  C#提供了一种语法糖,叫做using,来简化以上操作。

using(Person xingxing = new Person())
{  // do something}

  using在此处的语义不同于普通的引用类库作用。using用在此处的功能,仅仅是简化了代码,这种语法糖可以少用!!!
  总之,实现IDisposable的对象,在释放非托管资源时,必须手动调用Dispose()方法。因此一旦忘记,就会造成资源泄漏。如下所示:

                Image backImage = this.BackgroundImage;                
                if (backImage != null)
                {
                    backImage.Dispose();
                    SessionToImage.DeleteImage(_imageFilePath, _imageFileName);                    
                    this.BackgroundImage = null;
                }

  在上面那个例子中,backImage已经确定不再用了,并且backImage又是通过Image.FromFile(fullPathWay)从物理磁盘上读取的,是非托管的资源,所以需要Dispose()一下,这样读取Image的这个进程就被关闭了。如果忘记写backImage.Dispose();就会造成资源泄漏!

结合 析构函数和IDisposable这2种机制

  一般情况下,最好的方法是实现两种机制,获得这两种机制的优点。因为正确调用Dispose()方法,同时把实现析构函数作为一种安全机制,以防没有调用Dispose()方法。请参考一种结合两种方法释放托管和非托管资源的机制:
  

public class Person:IDisposable
{   private bool isDisposed = false;   //实现IDisposable接口
   public void Dispose()
   {      //为true表示清理托管和非托管资源
      Dispose(true);      //告诉垃圾回收器不要调用析构函数了
      GC.SuppressFinalize(this);
   }   protected virtual void Dispose(bool disposing)
   {      //isDisposed: 是否对象已经被清理掉了
      if(!isDisposed)
      {          if(disposing)
          {            //清理托管资源
           }           //清理非托管资源
       }
       isDisposed = true;
   }

   ~Person()
   {     //false:调用后只清理非托管资源
     //托管资源会被垃圾回收器的一个单独线程Finalize()
     Dispose(false);
   }
}

  当这个对象的使用者,直接调用了Dispose()方法,比如

Person xingxing = new Person();//do somethingperson.Dispose();

  此时调用IDisposable.Dispose()方法,指定应清理所有与该对象相关的资源,包括托管和非托管资源。

  如果未调用Dispose()方法,则是由析构函数处理掉托管和非托管资源。

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