C#學習筆記（十四）：GC機制和弱引用

垃圾回收（GC）

垃圾回收即Garbage Collector，垃圾指的是內存中已經不會再使用的對象，通過收集釋放掉這些對象占用的內存。

GC以應用程序的root為基礎，遍歷應用程序在Heap上動態分配的所有對象，通過識別它們是否被引用來確定哪些對象是已經死亡的、哪些仍需要被使用。已經不再被應用程序的root或者別的對象所引用的對象就是已經死亡的對象，即所謂的垃圾，需要被回收。

關於C#使用的垃圾回收算法可以點擊這里查看。

析構函數

析構函數會在GC執行清楚當前對象時被調用，可以在析構函數中執行一些釋放方法。

代

為了優化GC算法，微軟使用了“代”的概念，介紹如下：

堆里面總共有3代。

譬如，當程序運行時，有對象需要存儲在堆里面，GC就會創建第1代（假設空間大小為256K），對象就會存儲在第0代里面，當程序繼續運行，運行到第0代的大小不足以存放對象，這時候就就會創建第1代（假設空間為10M），GC就會把第0代里面的“垃圾對象”清理掉，把“活着”的對象放在第1代，這時候第0代就空了，用於存放新來的對象，當第0代滿了的時候，就會繼續執行以上操作，隨着程序的運行，第1代不能滿足存放要求，這時候就會創建第2代，清理方式如上相同。

我們來看一個例子：

using System;

namespace Study
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Test test = new Test();
            
            //對象會被分配到第 0 代
            Console.WriteLine("test對象所在的代：" + GC.GetGeneration(test));
            //回收對象, 這時 test 會被分配到第 1 代
            GC.Collect();
            Console.WriteLine("test對象所在的代：" + GC.GetGeneration(test));
            //回收對象, 這時 test 會被分配到第 2 代
            GC.Collect();
            Console.WriteLine("test對象所在的代：" + GC.GetGeneration(test));
            //回收對象, 最多只有3個代, 所以 test 還在第 2 代
            GC.Collect();
            Console.WriteLine("test對象所在的代：" + GC.GetGeneration(test));

            //斷開引用, 對象會被回收
            test = null;
            //回收對象, test 會被回收並調用析構函數
            GC.Collect();

            Console.Read();
        }
    }

    public class Test
    {
        ~Test()
        {
            Console.WriteLine("Test被回收了！");
        }
    }
}

運行結果如下：

test對象所在的代：0
test對象所在的代：1
test對象所在的代：2
test對象所在的代：2
Test被回收了！

何時GC

.Net何時執行GC在《C#高級編程》書中也只是簡單的一句“垃圾回收會在運行庫認為需要他時運行。”帶過，總體而言，GC運行策略已經被微軟進行優化過了，我們不需要過多的關心即可。

托管對象和非托管對象

在C#中，很大部分的對象都是托管對象，托管對象的釋放直接由GC來處理，但也存在部分非托管對象，這些對象GC是不能對其進行自動回收的。

非托管對象

即不受運行時管理的資源對象（如窗口句柄 (HWND)、數據庫連接等）。

非托管的對象如下：ApplicationContext,Brush,Component,ComponentDesigner,Container,Context,Cursor,FileStream,Font,Icon,Image,Matrix,Object,OdbcDataReader,OleDBDataReader,Pen,Regex,Socket,StreamWriter,Timer,Tooltip ,文件句柄,GDI資源,數據庫連接等等資源。

比如：當我們使用一個System.IO.StreamReader的一個文件對象，必須顯示的調用對象的Close()方法關閉它，否則會占用系統的內存和資源，而且可能會出現意想不到的錯誤。

Finalize

當我們聲明一個析構函數時實際上編譯器就會自動添加下面的代碼：

~Test()
{
    try{
        Finalize();
    }finally{
        base.Finalize();
    }
}

如果在派生類中不存在析造函數，卻重載了基類的終結器：

protected override void Finalize()
{
}

垃圾回收時，GC找不到構造函數，會直接調用終結器。

如果沒有顯示釋放資源時，GC時可以靠該方法進行隱式的釋放資源。

Dispose

相對於重寫Finalize方法，實現IDisposable接口來進行顯示的釋放資源是更好的一種方式。

我們只需要實現IDisposable接口即可，我們看看官網提供的常規寫法：

using System;

class BaseClass : IDisposable
{
   // Flag: Has Dispose already been called?
   bool disposed = false;

   // Public implementation of Dispose pattern callable by consumers.
   public void Dispose()
   { 
      Dispose(true);
      GC.SuppressFinalize(this);           
   }

   // Protected implementation of Dispose pattern.
   protected virtual void Dispose(bool disposing)
   {
      if (disposed)
         return; 

      if (disposing) {
         // Free any other managed objects here.
         //
      }

      // Free any unmanaged objects here.
      //
      disposed = true;
   }
}

https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/system.idisposable(v=vs.110).aspx

https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/fs2xkftw(v=vs.110).aspx

弱引用

我們都知道當一個對象存在一個或多個引用時，GC是不會釋放該對象的，如下：

Object obj = new Object();

這種引用稱為強引用。

但是我們可以想一下，還有一種情況是對象稍后可能被使用，但不是很確定是否會使用時，就可以使用弱引用了。

弱引用可以理解為：如果一個對象只存在一個或多個弱引用而沒有強引用時，則GC可以對其進行垃圾回收。

那么在C#中該如何使用弱引用呢？

WeakReference和WeakReference<T>

C#提供了兩個類來實現弱引用的功能，我們只需要將對象裝入該類的實例中，則可以理解為為這個對象添加了一個弱引用，下面給出幫助文檔地址：

WeakReference：https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/system.weakreference(v=vs.110).aspx

WeakReference<T>：https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/gg712738(v=vs.110).aspx

我們再看一個例子：

using System;

namespace Study
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //強引用
            Test test = new Test();
            //弱引用 1
            WeakReference weak1 = new WeakReference(test);
            //弱引用 2
            WeakReference<Test> weak2 = new WeakReference<Test>(test);

            //存在強引用不會被回收
            GC.Collect();

            //注意 temp 也是一個強引用
            Test temp;

            Console.WriteLine("weak1: " + weak1.IsAlive + ", weak2: " + weak2.TryGetTarget(out temp));

            //解除所有強引用
            test = null;
            temp = null;

            //沒有強引用會被回收
            GC.Collect();

            Console.WriteLine("weak1: " + weak1.IsAlive + ", weak2: " + weak2.TryGetTarget(out temp));

            Console.Read();
        }
    }

    public class Test
    {
        ~Test()
        {
            Console.WriteLine("Test被回收了！");
        }
    }
}

結果如下：

weak1: True, weak2: True
weak1: False, weak2: False
Test被回收了！