.NET架構-記憶體管理story與變數建立和銷毀詳解

前言

.net運行庫通過記憶體回收行程自動處理回收託管資源，非託管的資源需要手動編碼處理。理解記憶體管理的工作原理，有助於提高應用程式的速度和效能。廢話少說，切入正題。主要闡述的概念見:

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映射到硬體記憶體中的實際地址上，其結果便是32位處理器上的每個進程都可以使用4GB的記憶體，用來存放程式的所有部分，包括可執行代碼（exe檔案），代碼載入的所有DLL，程式運行時使用的所有變數的內容。
記憶體棧
　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地區。
記憶體堆
　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地區。
託管資源
　記憶體回收行程在後台能自動處理的資源
非託管資源
　需要手動編碼，通過解構函式，Finalize，IDisposable，Using等機制或方法處理的資源。

記憶體棧

　實值型別資料存放區在記憶體棧中，參考型別的執行個體地址值也放在記憶體棧中（見記憶體堆的討論），記憶體棧的工作原理，透過下面一段代碼理解：

{ //block1開始    int a;        //solve something    {//block2開始       int b;              // solve something else    }//block2結束}//block1結束

以上代碼注意2點：
　1）C#中變數的範圍，遵循先聲明的後超出範圍，後聲明的先超出範圍，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在一個單獨的塊範圍（block2）中，而a所在的塊名稱為block1，其內嵌套著block2。
　
　請看下面：

　棧記憶體管理中，始終都維護著一個棧指標，它始終指向站地區中下一個可用的地址，名字為sp，，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個位元組，即997~1000，入棧後，sp指向996，可見記憶體棧的增長方向為從高地址向低地址方向。
　然後b入棧，佔據993~996，sp指向992。當超越塊block2 時，變數b立即釋放在記憶體棧上的儲存，sp增加4個位元組，指向996。
　向外走，超越塊block1 時，變數a 立即釋放，此時sp再增加4個位元組，指向原來的初始地址1000，後面再入棧時，這些地址再被佔用，然後再被釋放，迴圈往複。

記憶體堆

　儘管棧有非常高的效能，但對於所有的變數它還是不太靈活，因為位於記憶體棧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運算子來請求的堆儲存空間，就滿足資料聲明期延時性，例如所有的參考型別。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，它在記憶體回收行程的控制下工作，而C++的堆是低級的。
　既然參考型別的資料存放區在託管堆上，那麼它們是如何儲存的呢？請看下面代碼
　

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

　　在這段代碼中，假定兩個類Monkey和AIMonkey，其中AIMonkey類擴充了Monkey對象。
　　
　　在這裡，我們稱Monkey為一個對象，稱xingxing為它的一個執行個體。
　　
　　首先，聲明了一個Monkey引用xingxing，在棧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對象。記住這一點很重要！！！
　　然後看下第2行代碼：

xingxing = new Monkey();

　　它完成的操作：首先，它分配堆上的記憶體，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個位元組的地址！！！ 假定Monkey對象佔用64個位元組，這64個位元組包含了Monkey執行個體的欄位，和.NET中用於識別和管理Monkey類執行個體的一些資訊。這64個位元組實在記憶體堆上分配的，假定記憶體堆上的地址1937~2000。new操作符返回一個記憶體位址，假定為997~1000，並賦值給xingxing。如下所示：

記住一點：
　與記憶體棧不同的是，堆上的記憶體是向上分配的，由低地址到高地址。
　從上面的例子中，可以看出建立引用執行個體的過程要比建立值變數的過程更複雜，系統開銷更大。那麼既然開銷這麼大，它到底優勢何在呢？引用資料類型強大到底在哪裡？？？
　
　請看下面代碼：

 {//block1    Monkey xingxing; //猴子類    xingxing = new Monkey();    {//block2      Monkey jingjing = xingxing; //jingjing也引用了Monkey對象      //do something    }    //jinjing超出範圍，它從棧中刪除    //現在只有xingxing還在引用Monkey}//xingxing超出範圍，它從棧中刪除//現在沒有在引用Monkey的了

　　把一個引用執行個體的值xingxing賦值予另一個相同類型的執行個體jingjing，這樣的結果便是有兩個引用記憶體中的同一個對象Monkey了。當一個執行個體超出範圍時，它會從棧中刪除，但引用對象的資料還是保留在堆中，一直到程式終止，或記憶體回收行程回收它位置，而只有該資料不再有任何執行個體引用它時，它才會被刪除！
　　隨便舉一個實際應用引用的簡單例子：
　　

//從介面抓取資料放到list中List<Person> persons = getPersonsFromUI();//retrieve these persons from DBList<person> personsFromDB = retrievePersonsFromDB();//do something to personsFromDBgetSomethingToPersonsFromDB();

　　請問對personsFromDB的改變，能在介面上及時相應出來嗎？
　　不能！
　請看下面修改代碼：

//從介面抓取資料放到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();

　修改後，資料能立即響應在介面上。因為persons與UI綁定，所有修改在persons上，自然可以立即響應。
　　這就是引用資料類型的強大之處，在C#.NET中廣泛使用了這個特性。這表明，我們可以對資料的生存期進行非常強大的控制，因為只要保持對資料的引用，該資料就肯定位於堆上！！！
　　這也表明了基於棧的執行個體與基於堆的對象的生存期不匹配！

記憶體回收行程 GC

　　 記憶體堆上會有片段形成，.NET記憶體回收行程會壓縮記憶體堆，移動對象和修改對象的所有引用的地址，這是託管的堆與非託管的堆的區別之一。
　　 .NET的託管堆只需要讀取堆積指標的值即可，但是非託管的舊堆需要遍曆地址鏈表，找出一個地方來放置新資料，所以在.NET下執行個體化對象要快得多。
　　堆的第一部分稱為第0代，這部分駐留了最新的對象。在第0代記憶體回收過程中遺留下來的舊對象放在第1代對應的部分上，依次遞迴下去。。。

承上啟下

　　以上部分便是對託管資源的記憶體管理部分，這些都是在後台由.NET自動執行的。下面看下非託管資源的記憶體管理，比如這些資源可能是UI控制代碼，network串連，檔案控制代碼，Image對象等。.NET主要通過三種機制來做這件事。分別為解構函式、IDisposable介面，和兩者的結合處理方法，以此實現最好的處理結果。下面分別看一下。

解構函式

　　C#編譯器在編譯解構函式時，它會隱式地把解構函式的代碼編譯為等價於Finalize()方法的代碼，並確定執行父類的Finalize()方法。看下面的代碼：

public class Person{   ~Person()   {      //析構實現   }}

~Person()解構函式產生的IL的C#代碼：

protected override void Finalize(){   try   {      //析構實現   }   finally   {     base.Finalize();   }}

　　放在finally塊中確保父類的Finalize()一定調用。
　　C#解構函式要比C++解構函式的使用少很多，因為它的問題是不確定性。在銷毀C++對象時，其解構函式會立即執行。但由於C#使用記憶體回收行程，無法確定C#對象的解構函式何時執行。如果對象佔用了 寶貴的資源，而需要儘快釋放資源，此時就不能等待記憶體回收行程來釋放了。
　　第一次調用解構函式時，有解構函式的對象需要第二次調用解構函式，才會真正刪除對象。如果頻繁使用析構，對效能的影響非常大。

IDisposable介面

　　在C#中，推薦使用IDisposable介面替代解構函式，該模式為釋放非託管資源提供了確定的機制，而不像析構那樣何時執行不確定。
　　假定Person對象依賴於某些外部資源，且實現IDisposable介面，如果要釋放它，可以這樣：

class Person:IDisposable{  public void Dispose()  {    //implementation  }}Person xingxing = new Person();//dom somethingxingxing .Dispose();

　　上面代碼如果在處理過程中出現異常，這段代碼就沒有釋放xingxing，所以修改為：

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

　　C#提供了一種文法糖，叫做using，來簡化以上操作。

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

　　using在此處的語義不同於普通的引用類庫作用。using用在此處的功能，僅僅是簡化了代碼，這種文法糖可以少用！！！
　　總之，實現IDisposable的對象，在釋放非託管資源時，必須手動調用Dispose()方法。因此一旦忘記，就會造成資源泄漏。如下所示：

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

　　在上面那個例子中，backImage已經確定不再用了，並且backImage又是通過Image.FromFile(fullPathWay)從物理磁碟上讀取的，是非託管的資源，所以需要Dispose()一下，這樣讀取Image的這個進程就被關閉了。如果忘記寫backImage.Dispose();就會造成資源泄漏！

結合 解構函式和IDisposable這2種機制

　　一般情況下，最好的方法是實現兩種機制，獲得這兩種機制的優點。因為正確調用Dispose()方法，同時把實現解構函式作為一種安全機制，以防沒有調用Dispose()方法。請參考一種結合兩種方法釋放託管和非託管資源的機制：
　　

public class Person:IDisposable{   private bool isDisposed = false;   //實現IDisposable介面   public void Dispose()   {         //為true表示清理託管和非託管資源      Dispose(true);            //告訴記憶體回收行程不要調用解構函式了      GC.SuppressFinalize(this);   }      protected virtual void Dispose(bool disposing)   {         //isDisposed: 是否對象已經被清理掉了      if(!isDisposed)      {                if(disposing)          {                      //清理託管資源           }                      //清理非託管資源       }       isDisposed = true;   }   ~Person()   {        //false：調用後只清理非託管資源     //託管資源會被記憶體回收行程的一個單獨線程Finalize()     Dispose(false);   }}

　　當這個對象的使用者，直接調用了Dispose()方法，比如

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

　　此時調用IDisposable.Dispose()方法，指定應清理所有與該對象相關的資源，包括託管和非託管資源。

　　如果未調用Dispose()方法，則是由解構函式處理掉託管和非託管資源。