C# 實值型別和參考型別的記憶體管理

本次日誌，我們來重點聊一聊軟體開發過程中，如何提高效能方面的問題。這是軟體開發或研發過程中深層次的問題，這篇文章主要從記憶體配置和記憶體回收兩方面說明,我們軟體代碼編寫過程中，計算如何來工作的。在此你可以瞭解記憶體管理的過程和方式，以便在以後的軟體開發中注意它、利用它。

實值型別包括：int,float,double,bool,結構，引用，表示對象執行個體的變數

參考型別包括：類和數組;比較特殊的參考型別string、object

一般情況下：實值型別儲存在堆棧中（不包括包含在引用中的實值型別，如類的值欄位，類中的引用欄位，數組的元素這些都是隨引用儲存在受管制的堆中）；參考型別儲存在受管制的堆中，為什麼說是受管制的堆，下面會具體來談。

幾個概念：

虛擬記憶體：32位的電腦，每個進程擁有4G的虛擬記憶體。

受管制的堆（託管堆）：受誰的管制？當然是無用單元收集器，即垃圾收集器。如何管理下面再說？

無用單元收集器：垃圾收集器除了會壓縮託管堆、更新引用地址、還會維護託管堆的資訊列表等等。

關於實值型別的儲存先看如下代碼：

{

int age=20;

double salary=2000;

}

上面定義的兩個變數，int age，告訴編譯器需要給我分配4個位元組的記憶體空間來儲存age值，它是儲存在堆棧上的。堆棧屬入先進後出的資料結構，堆棧是從高位地址到低位地址儲存資料的。電腦寄存器中保持著一個堆棧指標，他總是指向堆棧最底端的自由空間地址，當我們定義一個int類型的值時，堆棧指標遞減四個位元組的地址；當變數出了範圍後，堆棧指標相應的相應的遞增四個位元組的地址，它只是堆棧指標的上下移動，所以堆棧的效能是相當高的。

下面看一下參考型別的儲存，還是先看代碼：

{

Customer customerA;

customerA=new Customer(); //假定Customer執行個體佔據32個位元組

}

上面的代碼第一行先聲明了一個Customer引用，引用的名字為customerA,在堆棧上給此引用分配儲存空間，儲存空間的大小為4個位元組，因為它只儲存了一個引用，這個引用所指向的才是即將儲存Customer執行個體的空間地址，注意此時customerA並沒有指向具體的空間，它只是分配了一個空間而已。

第二行執行過程中，.net環境會搜尋託管堆，尋找第一個未使用的、連續的32個位元組空間分配給類的執行個體，並設定customerA指向這段空間的頂端位置（堆的空間是從低到高使用的）。當引用變數出範圍後，堆棧中的引用會無效，當託管堆中的執行個體還在，直到垃圾收集器對其進行清理。

到這裡細心的讀者可能會有些疑問，是不是定義參考型別時，電腦要搜尋整個堆，尋找足夠大的記憶體空間來儲存物件呢？這樣會不會效率很低？如果沒有足夠大的連續的空間呢？這個就要談到“託管”了。堆是受垃圾收集器管理的，.net在執行垃圾收集器時釋放能釋放的所有對象，並壓縮其他對象，然後把所有自由空間組合在一起移動到堆的頂端， 形成連續的塊，同時更新其他移動對象的引用。如果再有對象定義，可以很快找到合適的空間。如此看來託管堆工作方式與堆棧類似，它是通過堆積指標來完成空間的分配和回收的。

上面談了.net對記憶體空間分配的管理過程和方式，接下來談一談對記憶體的回收過程。談到資源的清理，不得不提到的兩個概念和三個方法。

兩個概念為：託管資源和非託管資源。

託管資源接受.net framework的CLR(通用語言運行時)的管理；非託管資源則不受它的管理。

三個方法為：Finalize(),Dispose(),Close()。

一、Finalize()為析構方法，清除非託管資源。

在類中定義方式：

public ClassName{

~ClassName()

{

//清理非託管資源(如關閉檔案和資料庫聯結等)

}

}

它的特點是：

1. 運行不確定性。

它是受垃圾收集器的管理，當垃圾收集器工作時，會調用此方法。

2. 效能開銷大。

垃圾收集器工作方式為，對象如果執行了Finalize()方法，垃圾收集器第一次執行時，會把它放在一個特殊的隊列中；第二次執行的時候才會刪除此對象。

3. 不能顯示定義和調用，定義為析構方法形式。

基於以上特點，最好不要執行Finalize()方法，除非類確實需要它或與其他兩個方法結合來用。

二、Dispose()方法，可清除一切需要清除的資源，包括託管和非託管資源。

定義如下：

public void Dispose()

{

//清理應該清理的資源（包括託管和非託管資源）

System.GC.SuppressFinalize(this); //這一句很重要，下面會解釋原因。

}

它的特點：

1. 任何客戶代碼都應顯示調用這個方法，來釋放資源。

2. 由於第一點的原因，一般要做一個備份，這個備份一般由析構方法來擔任角色。

3. 定義此方法的類，必須繼承IDisposable介面。

4. 文法關鍵字using等同於調用Dispose()，使用using時，它是預設調用Dispose()方法。所以使用using的類也要繼承IDisposable介面。

Dispose()方法比較靈活，在資源不需要時立即釋放。它是資源的最終處理，調用它意味著會最終刪除對象。

三、Close()方法，暫時處置資源的狀態，可能以後還會使用。一般處理非託管資源。

定義如下：

public viod Close()

{

//對非託管資源狀態的設定，如關閉檔案或資料庫連接

}

它的特點：

對非託管資源狀態的設定，一般是關閉檔案或資料庫連接。

下面寫一個綜合且又經典的的例子，利用代碼示範一下各部分的作用：(為了省事，這個例子是從網上杜撰來的，只要說明問題就可以了，你說呢。在此應該感謝代碼原創者，感謝他寫了這麼經典和易懂的代碼，我們受益匪淺！)

public class ResourceHolder : System.IDisposable

{

public void Dispose()

{

Dispose(true);

System.GC.SuppressFinalize(this);

// 上面一行代碼作用是防止"記憶體回收行程"調用這個類中的析構方法

// " ~ResourceHolder() "

// 為什麼要防止呢? 因為如果使用者記得調用Dispose()方法,那麼

// "記憶體回收行程"就沒有必要"多此一舉"地再去釋放一遍"非託管資源"了

// 如果使用者不記得調用呢,就讓"記憶體回收行程"幫我們去"多此一舉"吧 ^_^

// 你看不懂我上面說的不要緊,下面我還有更詳細的解釋呢!

}

protected virtual void Dispose(bool disposing)

{

if (disposing)

{

// 這裡是清理"託管資源"的使用者程式碼片段。

}

// 這裡是清理"非託管資源"的使用者程式碼片段。此處為析構方法的實際執行代碼，為了避免客戶代碼忘記顯示調用Dispose()方法，所作的備份。

}

~ResourceHolder()

{

Dispose(false); // 這裡是清理"非託管資源"

}

}

如果看不明白以上代碼，一定要仔細閱讀以下解釋，很經典，不看會後悔呦。

這裡,我們必須要清楚,需要使用者調用的是方法Dispose()而不是方法Dispose(bool),然而,這裡真正執行釋放工作的方法卻並不是Dispose(),而是Dispose(bool) ! 為什麼呢?仔細看代碼,在Dispose()中,調用了Dispose(true),而參數為"true"時,作用是清理所有的託管資源和非託管資源;大家一定還記得我前面才說過,"使用析構方法是用來釋放非託管資源的",那麼這裡既然Dispose()可以完成釋放非託管資源的工作,還要析構方法幹什麼呢? 其實,析構方法的作用僅僅是一個"備份"!

為什麼呢?

格地說,凡執行了介面"IDisposable"的類,那麼只要程式員在代碼中使用了這個類的對象執行個體,那麼早晚得調用這個類的Dispose()方法,同時,如果類中含有對非託管資源的使用,那麼也必須釋放非託管資源! 可惜,如果釋放非託管資源的代碼放在析構方法中(上面的例子對應的是 " ~ResourceHolder() "),那麼程式員想調用這段釋放代碼是不可能做到的(因為析構方法不能被使用者調用,只能被系統,確切說是"記憶體回收行程"調用),所以大家應該知道為什麼上面例子中"清理非託管資源的使用者程式碼片段"是在Dispose(bool)中,而不是~ResourceHolder()中! 不過不幸的是,並不是所有的程式員都時刻小心地記得調用Dispose()方法,萬一程式員忘記調用此方法,託管資源當然沒問題,早晚會有"記憶體回收行程"來回收(只不過會延遲一會兒),那麼非託管資源呢?它可不受CLR的控制啊!難道它所佔用的非託管資源就永遠不能釋放了嗎? 當然不是!我們還有"析構方法"呢! 如果忘記調用Dispose(),那麼"記憶體回收行程"也會調用"析構方法"來釋放非託管資源的!(多說一句廢話,如果程式員記得調用Dispose()的話,那麼代碼"System.GC.SuppressFinalize(this);"則可以防止"記憶體回收行程"調用析構方法,這樣就不必多釋放一次"非託管資源"了) 所以我們就不怕程式員忘記調用Dispose()方法了。

