.NET面试题系列[5] - 垃圾回收:概念与策略

面试出现频率:经常出现,但通常不会问的十分深入。通常来说,看完我这篇文章就足够应付面试了。面试时主要考察垃圾回收的基本概念,标记-压缩算法,以及对于微软的垃圾回收模板的理解。知道什么时候需要继承IDisposible接口,解构函数是做什么用的,什么时候需要自己写一个解构函数。

重要程度:10/10

参考书籍:CLR via C#,其对垃圾回收讲解的十分详细,有些内容甚至过于高深。熟悉垃圾回收可以使你的程序更加健壮,性能更好。

4.1 托管堆的构造

垃圾回收的主要操作对象是托管堆,托管堆包括GC堆和加载堆。

GC堆里面为了提高内存管理效率等因素,分成多个部分,其中两个主要部分为:

  1. 0/1/2代:越大的代的堆空间越大。
  2. 大对象堆(Large Object Heap),大于85000字节的大对象会分配到这个区域,这个区域的主要特点就是:不会轻易被回收;就是回收了也不会被压缩(因为对象太大,移动复制的成本太高)。大对象堆是第二代GC堆的一部分。

加载堆不受GC管辖。加载堆上的主要对象有类型对象和它们的静态字段,字符串驻留池等。几个非托管资源的例子:StreamWriter,数据库连接对象等。

4.2 关于垃圾

  • 垃圾是不会再被用到的资源。具体的情况则包括超出该变量的有效范围(离开了对应的大括号的区域变量),将变量指定为null,重新指向其他物件(而原先指向的物件已无法被取得),重新初始化等,这时原先变量占有的空间都会被CLR视为垃圾而等待回收。
  • 托管代码/资源/物件是会被CLR管理的代码(CLR会对它们进行内存管理,垃圾回收,线程管理等),反之则是非托管代码。
  • C#的值类型(如果它属于托管代码)存储在栈中。使用完(离开其作用域)就立刻销毁。
  • C#的引用类型(如果它属于托管代码)存储在栈和堆中。使用完(离开其作用域)栈上的资料立刻销毁,而堆上(栈上所引用的资料指向堆上的一块空间)的资料不立刻销毁。销毁时间根据其世代而定。

4.3 简述GC的垃圾回收策略

  • GC将整个托管堆分成0代,1代和2代三个区域。更高的世代的区域更大。所有的引用对象一开始都是在第0代分配地址。进行垃圾回收时,大部分情况都是只对某个特定代进行操作。这样分配基于下面几个假设:
    • 越老的对象生存期越长(即还可能继续生存很长一段时间)
    • 回收堆的一部分快于回收整个堆
  • 当程序调用new操作符创建对象时,会计算类型(及其所有基类型)的字段需要的字节数。如果托管堆已经没有足够的空间来创建新对象了(第0代满),就触发一次垃圾回收。
  • 整个回收将会遍历0,1,2三代区域,并先标记,后压缩,标记了的所有0代垃圾被销毁,幸存者移到第一代堆中。标记了的所有1代垃圾被销毁,幸存者被移到第2代堆中。所有第二代堆的垃圾将会被销毁。幸存者仍然在第2代堆中。
  • GC使用的垃圾回收算法是先标记(垃圾),之后压缩,将垃圾清理,释放,将幸存者升代,使得垃圾释放空出来的位置变得连续。类似于磁盘空间的碎片整理。连续的空间便于管理和建立新的对象。
  • 具体一点说,每个应用程序都包含一组根,每个根都是一个存储位置,其中包含指向引用类型对象的一个指针。该指针要么引用堆中的一个对象,要么为null。
  • GC开始执行时,假设堆上所有的对象都是垃圾。在标记阶段,GC沿着线程栈开始遍历,检查每个根是否为null。对于那些有引用对象的根,则不认为它们是垃圾。
  • 可以通过呼叫GC.Collect来主动触发一次垃圾回收(甚至可以指定某代),但通常这是没必要的。

4.4 何时需要继承IDisposible接口?

你可以继承IDisposible接口,然后在Dispose方法中销毁任何资源,包括非托管资源。但如果你忘记了调用它,那么你的非托管资源将没有任何机会得到释放。只有当你的类型含有非托管资源,或者实现了IDisposible的托管资源时,你才需要继承IDisposible接口,实现一个Dispose。 如果你只面对一堆托管资源,并且它们都没有实现IDisposible时,你不需要做任何事。

4.5 什么是Finalize方法?

  • 只要对象继承自Object,它就拥有Finalize方法。在创建这个对象时,会在Finalization Queue(终结列表,由垃圾回收器控制的一个内部数据结构)为其加入一个指针。拥有Finalize方法的对象被称为可终结的。
  • Finalize方法又被称为终结器。复写Finalize方法称为实现终结器。只有你需要释放非托管资源时才需要这么做。
  • 复写Finalize方法的唯一方法是实现一个解构函数。解构函数的实现只有一个意义,就是保证非托管资源得到回收,作为Dispose这道关口后面的最终总闸,因为解构函数是肯定会被执行到的。
  • 垃圾清理时,会标记所有的垃圾,并探查终结列表,并将其中为垃圾的对象移除出终结列表,加到Freachable Queue之中(这无形当中会给对象续命一轮GC,因为此时对象被Freachable Queue引用,不再是没有被任何其他对象引用的垃圾)。
  • 一个特殊的高优先级的线程专门负责调用Finalize方法。这可以避免潜在的线程同步问题。Freachable队列为空时,该线程睡眠。一旦Freachable队列有记录出现,该线程就会被唤醒,将每一项都从Freachable队列中移出,并调用每一项对象的Finalize方法,该方法会销毁对象。
  • 当GC隐式的处理垃圾回收时,第一轮GC会将所有的拥有Finalize方法的垃圾移动到Freachable Queue之中,并不调用Finalize方法(所以对象还活着)。下一轮GC才遍历上面那轮GC中,放到Freachable Queue的对象,并使用Finalize方法销毁那些引用类型对象。所以如果对象拥有Finalize方法,它的寿命会无形之中延长一轮GC(称为对象的复生),并且它的Finalize方法调用的时间是不可知的。在必要的时候,你可以实现IDisposible接口,利用Dispose来主动销毁资源,并在Dispose()成功地执行之后呼叫GC.SuppressFinalize(this); 这可以告诉GC不需再去呼叫这个物件的Finalize方法(因为Dispose执行过了之后Finalize不需要执行了),这样GC就不会把对象从终结列表移动到freachable队列,可以回避系统的续命行为。
  • 因为终结器会导致续命,所以请留心,记得呼叫Dispose,并呼叫GC.SuppressFinalize(this),这可以让终结器没有机会上场,对象就被销毁了。

4.6 什么是解构函数?何时需要写一个解构函数?

  • 解构函数是Finalize方法的override。它将会被隐式的转换为一个带有try-finally的Finalize方法,覆盖它的父对象的Finalize,并在finally中呼叫base.Finalize。(此处的base指System.Object)
  • 解构函数不能有参数和方法修饰符。除非你主动触发垃圾回收,它的执行时间是不可知的。
  • 虽然仅由托管资源组成的类型也可能会因为用户忘了呼叫Dispose而暂时存留在堆中,这并不会造成太大的问题,因为GC最终会回收它。而如果类型中有非托管资源,你需要实现解构函数。如果你没有实现解构函数,又忘了呼叫Dispose,则当GC回收这个类型时(通过Finalize),将只会回收托管资源(非托管资源没有Finalize方法),非托管资源将会一直存留在堆中。

4.7 如何回收托管资源?

如果类型没有非托管资源,此时,因为所有托管资源肯定都有Finalize方法,我们不需要实现解构函数。特别的,对于实现了IDisposible的类型,我们只需要简单的调用Dispose来释放资源即可(这会调用那个类型的Dispose方法,如果类型是属于微软的,则微软已经给你实现好了)。有些类型的Dispose方法的名称为Close。

如果你的托管资源包含了一些实现了IDisposible接口的成员时,你要继承IDisposible接口,并在Dispose方法中将这些成员回收。或者,你在使用成员时,使用using关键字。using关键字本质上是一个try - finally块,所以即使你在using块中发生了异常,也不用担心,对象仍然会在finally块中被dispose。(曾经有面试官问过我这个问题)

4.8 如何回收非托管资源?

如果你只是临时使用非托管资源,那么将其包含在using中就可以了,例如使用StreamWriter。

假设你的类型中含有非托管资源属性/字段,此时,你要继承IDisposible接口,实现Dispose方法,并写一个解构函数。你可以follow微软的垃圾回收模板,步骤如下:

  1. 写一个私有的方法,在私有的方法中,释放托管资源(如果该资源拥有Dispose方法则可以通过呼叫它的Dispose方法完成)和非托管资源。
  2. 实现Dispose方法,呼叫私有方法,之后呼叫SuppressFinalize。
  3. 实现一个解构函数(这会覆盖原有的Finalize方法)在其中呼叫私有方法。这是为了防止用户忘了呼叫Dispose方法而最终没有回收这个非托管资源。原有的Finalize方法并不会理会非托管资源。在解构函数中你不需要呼叫SuppressFinalize因为这已经是Finalize方法了,续命已经发生了。
    public sealed class WindowStationHandle : IDisposable
    {
        // 非托管资源      
        public IntPtr Handle { get; set; }

        public WindowStationHandle(IntPtr handle)
        {
            this.Handle = handle;
        }

        public WindowStationHandle()
            : this(IntPtr.Zero)
        {
        }

        public bool IsInvalid
        {
            get { return (this.Handle == IntPtr.Zero); }
        }

        // 私有方法
        private void CloseHandle()
        {
            if (this.IsInvalid)
            {
                return;
            }

            if (!NativeMethods.CloseWindowStation(this.Handle))
            {
                Trace.WriteLine("CloseWindowStation: " + new Win32Exception().Message);
            }

            // 释放非托管资源
            this.Handle = IntPtr.Zero;        
        }

        public void Dispose()
        {
            //实现Dispose方法,呼叫私有方法,之后呼叫SuppressFinalize
            this.CloseHandle();
            GC.SuppressFinalize(this);
        }

        ~WindowStationHandle()
        {
            //实现一个解构函数(这会覆盖原有的Finalize方法)在其中呼叫私有方法。
            //这是为了防止用户忘了呼叫Dispose方法而最终没有回收这个非托管资源。
            //原有的Finalize方法并不会理会非托管资源。
            this.CloseHandle();
        }
    }

4.10 垃圾回收策略

结合上面4.4,4.8和4.9,就构成了常规的垃圾回收策略:

  1. 类中没有非托管资源,且没有对象实现IDisposible: 什么也不用做。
  2. 类中没有非托管资源,且有对象实现IDisposible: 特别注意这些对象,确保调用了它们的Dispose方法(显式或者隐式的)。你可以实现IDisposible,然后实现Dispose方法,在其中释放资源。
  3. 类中有非托管资源: 跟从微软模板,实现一个私有函数释放托管和非托管资源,实现IDisposible,然后实现Dispose方法,并在其中调用私有函数,然后呼叫GC.SuppressFinalize(第一道闸)。实现一个解构函数,并在其中调用私有函数(第二道闸)。如果你的第一道闸完美无缺,第二道闸是没有机会上场的。

4.11 扩展阅读:

大对象堆陷阱:http://www.cnblogs.com/brucebi/archive/2013/04/16/3024136.html

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