.NET框架-内存管理story与变量创建和销毁详解（图）

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:

概念

　内存：又称为虚拟内存，或虚拟地址空间，windows使用虚拟寻址系统，在后台自动将可用的内存地址映射到硬件内存中的实际地址上，其结果便是32位处理器上的每个进程都可以使用4GB的内存，用来存放程序的所有部分，包括可执行代码（exe文件），代码加载的所有DLL，程序运行时使用的所有变量的内容。
内存栈
　在进程的虚拟内存中，存在的一个变量的生存期必须嵌套的区域。
内存堆
　在进程的虚拟内存中，在方法退出后的很长一段时间内数据仍是可用的区域。
托管资源
　垃圾回收器在后台能自动处理的资源
非托管资源
　需要手动编码，通过析构函数，Finalize，IDisposable，Using等机制或方法处理的资源。

内存栈

　值类型数据存储在内存栈中，引用类型的实例地址值也放在内存栈中（见内存堆的讨论），内存栈的工作原理，透过下面一段代码理解：

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

以上代码注意2点：
　1）C#中变量的作用域，遵循先声明的后超出作用域，后声明的先超出作用域，即b先释放，a后释放，释放顺序总是与它们分配内存的顺序相反。
　2）b在一个单独的块作用域（block2）中，而a所在的块名称为block1，其内嵌套着block2。
　
　请看下面示意图：

　栈内存管理中，始终都维护着一个栈指针，它始终指向站区域中下一个可用的地址，名字为sp，如图所示，假定它指向编号为1000的地址。
　变量a 首先入栈，假定机子是32位的，int型占4个字节，即997~1000，入栈后，sp指向996，可见内存栈的增长方向为从高地址向低地址方向。
　然后b入栈，占据993~996，sp指向992。当超越块block2 时，变量b立即释放在内存栈上的存储，sp增加4个字节，指向996。
　向外走，超越块block1 时，变量a 立即释放，此时sp再增加4个字节，指向原来的初始地址1000，后面再入栈时，这些地址再被占用，然后再被释放，循环往复。

内存堆

　尽管栈有非常高的性能，但对于所有的变量它还是不太灵活，因为位于内存栈上的变量的生存期必须嵌套。许多情况下，这种要求过于苛刻，因为我们希望有些数据在方法退出后的很长一段时间内还是可用的。
　只要是用new运算符来请求的堆存储空间，就满足数据声明期延时性，例如所有的引用类型。在.net中使用托管堆来管理内存堆上的数据。
　.net中的托管堆和C++使用的堆不同，它在垃圾回收器的控制下工作，而C++的堆是低级的。
　既然引用类型的数据存储在托管堆上，那么它们是如何存储的呢？请看下面代码
　

void Shout()
{
   Monkey xingxing; //猴子类
   xingxing = new Monkey();
}

　　在这段代码中，假定两个类Monkey和AIMonkey，其中AIMonkey类扩展了Monkey对象。
　　
　　在这里，我们称Monkey为一个对象，称xingxing为它的一个实例。
　　
　　首先，声明了一个Monkey引用xingxing，在栈上给这个引用分配存储空间，记住这仅是一个引用，而不是实际的Monkey对象。记住这一点很重要！！！
　　然后看下第2行代码：

xingxing = new Monkey();

　　它完成的操作：首先，它分配堆上的内存，以储存Monkey对象，注意了！！！这是一个真正的对象，它不是一个占用4个字节的地址！！！  假定Monkey对象占用64个字节，这64个字节包含了Monkey实例的字段，和.NET中用于识别和管理Monkey类实例的一些信息。这64个字节实在内存堆上分配的，假定内存堆上的地址1937~2000。new操作符返回一个内存地址，假定为997~1000，并赋值给xingxing。示意图如下所示：

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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