.NET面試題系列[5] - 垃圾回收：概念與策略

面試出現頻率：經常出現，但通常不會問的十分深入。通常來說，看完我這篇文章就足夠應付面試了。面試時主要考察垃圾回收的基本概念，標記-壓縮算法，以及對於微軟的垃圾回收模板的理解。知道什么時候需要繼承IDisposible接口，解構函數是做什么用的，什么時候需要自己寫一個解構函數。

重要程度：10/10

參考書籍：CLR via C#，其對垃圾回收講解的十分詳細，有些內容甚至過於高深。熟悉垃圾回收可以使你的程序更加健壯，性能更好。

4.1 托管堆的構造

垃圾回收的主要操作對象是托管堆，托管堆包括GC堆和加載堆。

GC堆里面為了提高內存管理效率等因素，分成多個部分，其中兩個主要部分為：

1. 0/1/2代：越大的代的堆空間越大。
2. 大對象堆(Large Object Heap)，大於85000字節的大對象會分配到這個區域，這個區域的主要特點就是：不會輕易被回收；就是回收了也不會被壓縮（因為對象太大，移動復制的成本太高）。大對象堆是第二代GC堆的一部分。

加載堆不受GC管轄。加載堆上的主要對象有類型對象和它們的靜態字段，字符串駐留池等。幾個非托管資源的例子：StreamWriter，數據庫連接對象等。

4.2 關於垃圾

• 垃圾是不會再被用到的資源。具體的情況則包括超出該變量的有效范圍（離開了對應的大括號的區域變量），將變量指定為null，重新指向其他物件（而原先指向的物件已無法被取得），重新初始化等，這時原先變量占有的空間都會被CLR視為垃圾而等待回收。
• 托管代碼/資源/物件是會被CLR管理的代碼（CLR會對它們進行內存管理，垃圾回收，線程管理等），反之則是非托管代碼。
• C#的值類型（如果它屬於托管代碼）存儲在棧中。使用完（離開其作用域）就立刻銷毀。
• C#的引用類型（如果它屬於托管代碼）存儲在棧和堆中。使用完（離開其作用域）棧上的資料立刻銷毀，而堆上（棧上所引用的資料指向堆上的一塊空間）的資料不立刻銷毀。銷毀時間根據其世代而定。

4.3 簡述GC的垃圾回收策略

• GC將整個托管堆分成0代，1代和2代三個區域。更高的世代的區域更大。所有的引用對象一開始都是在第0代分配地址。進行垃圾回收時，大部分情況都是只對某個特定代進行操作。這樣分配基於下面幾個假設：
  • 越老的對象生存期越長（即還可能繼續生存很長一段時間）
  • 回收堆的一部分快於回收整個堆

• 當程序調用new操作符創建對象時，會計算類型（及其所有基類型）的字段需要的字節數。如果托管堆已經沒有足夠的空間來創建新對象了（第0代滿），就觸發一次垃圾回收。
• 整個回收將會遍歷0,1,2三代區域，並先標記，后壓縮，標記了的所有0代垃圾被銷毀，幸存者移到第一代堆中。標記了的所有1代垃圾被銷毀，幸存者被移到第2代堆中。所有第二代堆的垃圾將會被銷毀。幸存者仍然在第2代堆中。
• GC使用的垃圾回收算法是先標記（垃圾），之后壓縮，將垃圾清理，釋放，將幸存者升代，使得垃圾釋放空出來的位置變得連續。類似於磁盤空間的碎片整理。連續的空間便於管理和建立新的對象。
• 具體一點說，每個應用程序都包含一組根，每個根都是一個存儲位置，其中包含指向引用類型對象的一個指針。該指針要么引用堆中的一個對象，要么為null。
• GC開始執行時，假設堆上所有的對象都是垃圾。在標記階段，GC沿着線程棧開始遍歷，檢查每個根是否為null。對於那些有引用對象的根，則不認為它們是垃圾。
• 可以通過呼叫GC.Collect來主動觸發一次垃圾回收（甚至可以指定某代），但通常這是沒必要的。

4.4 何時需要繼承IDisposible接口？

你可以繼承IDisposible接口，然后在Dispose方法中銷毀任何資源，包括非托管資源。但如果你忘記了調用它，那么你的非托管資源將沒有任何機會得到釋放。只有當你的類型含有非托管資源，或者實現了IDisposible的托管資源時，你才需要繼承IDisposible接口，實現一個Dispose。 如果你只面對一堆托管資源，並且它們都沒有實現IDisposible時，你不需要做任何事。

4.5 什么是Finalize方法？

• 只要對象繼承自Object，它就擁有Finalize方法。在創建這個對象時，會在Finalization Queue(終結列表，由垃圾回收器控制的一個內部數據結構)為其加入一個指針。擁有Finalize方法的對象被稱為可終結的。
• Finalize方法又被稱為終結器。復寫Finalize方法稱為實現終結器。只有你需要釋放非托管資源時才需要這么做。
• 復寫Finalize方法的唯一方法是實現一個解構函數。解構函數的實現只有一個意義，就是保證非托管資源得到回收，作為Dispose這道關口后面的最終總閘，因為解構函數是肯定會被執行到的。
• 垃圾清理時，會標記所有的垃圾，並探查終結列表，並將其中為垃圾的對象移除出終結列表，加到Freachable Queue之中（這無形當中會給對象續命一輪GC，因為此時對象被Freachable Queue引用，不再是沒有被任何其他對象引用的垃圾）。
• 一個特殊的高優先級的線程專門負責調用Finalize方法。這可以避免潛在的線程同步問題。Freachable隊列為空時，該線程睡眠。一旦Freachable隊列有記錄出現，該線程就會被喚醒，將每一項都從Freachable隊列中移出，並調用每一項對象的Finalize方法，該方法會銷毀對象。
• 當GC隱式的處理垃圾回收時，第一輪GC會將所有的擁有Finalize方法的垃圾移動到Freachable Queue之中，並不調用Finalize方法（所以對象還活着）。下一輪GC才遍歷上面那輪GC中，放到Freachable Queue的對象，並使用Finalize方法銷毀那些引用類型對象。所以如果對象擁有Finalize方法，它的壽命會無形之中延長一輪GC（稱為對象的復生），並且它的Finalize方法調用的時間是不可知的。在必要的時候，你可以實現IDisposible接口，利用Dispose來主動銷毀資源，並在Dispose()成功地執行之后呼叫GC.SuppressFinalize(this); 這可以告訴GC不需再去呼叫這個物件的Finalize方法（因為Dispose執行過了之后Finalize不需要執行了），這樣GC就不會把對象從終結列表移動到freachable隊列，可以回避系統的續命行為。
• 因為終結器會導致續命，所以請留心，記得呼叫Dispose，並呼叫GC.SuppressFinalize(this)，這可以讓終結器沒有機會上場，對象就被銷毀了。

4.6 什么是解構函數？何時需要寫一個解構函數？

• 解構函數是Finalize方法的override。它將會被隱式的轉換為一個帶有try-finally的Finalize方法，覆蓋它的父對象的Finalize，並在finally中呼叫base.Finalize。（此處的base指System.Object）
• 解構函數不能有參數和方法修飾符。除非你主動觸發垃圾回收，它的執行時間是不可知的。
• 雖然僅由托管資源組成的類型也可能會因為用戶忘了呼叫Dispose而暫時存留在堆中，這並不會造成太大的問題，因為GC最終會回收它。而如果類型中有非托管資源，你需要實現解構函數。如果你沒有實現解構函數，又忘了呼叫Dispose，則當GC回收這個類型時（通過Finalize），將只會回收托管資源（非托管資源沒有Finalize方法），非托管資源將會一直存留在堆中。

4.7 如何回收托管資源？

如果類型沒有非托管資源，此時，因為所有托管資源肯定都有Finalize方法，我們不需要實現解構函數。特別的，對於實現了IDisposible的類型，我們只需要簡單的調用Dispose來釋放資源即可（這會調用那個類型的Dispose方法，如果類型是屬於微軟的，則微軟已經給你實現好了）。有些類型的Dispose方法的名稱為Close。

如果你的托管資源包含了一些實現了IDisposible接口的成員時，你要繼承IDisposible接口，並在Dispose方法中將這些成員回收。或者，你在使用成員時，使用using關鍵字。using關鍵字本質上是一個try - finally塊，所以即使你在using塊中發生了異常，也不用擔心，對象仍然會在finally塊中被dispose。（曾經有面試官問過我這個問題）

4.8 如何回收非托管資源？

如果你只是臨時使用非托管資源，那么將其包含在using中就可以了，例如使用StreamWriter。

假設你的類型中含有非托管資源屬性/字段，此時，你要繼承IDisposible接口，實現Dispose方法，並寫一個解構函數。你可以follow微軟的垃圾回收模板，步驟如下：

1. 寫一個私有的方法，在私有的方法中，釋放托管資源（如果該資源擁有Dispose方法則可以通過呼叫它的Dispose方法完成）和非托管資源。
2. 實現Dispose方法，呼叫私有方法，之后呼叫SuppressFinalize。
3. 實現一個解構函數（這會覆蓋原有的Finalize方法）在其中呼叫私有方法。這是為了防止用戶忘了呼叫Dispose方法而最終沒有回收這個非托管資源。原有的Finalize方法並不會理會非托管資源。在解構函數中你不需要呼叫SuppressFinalize因為這已經是Finalize方法了，續命已經發生了。

    public sealed class WindowStationHandle : IDisposable
    {
        // 非托管資源      
        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);
            }

            // 釋放非托管資源
            this.Handle = IntPtr.Zero;        
        }

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

        ~WindowStationHandle()
        {
            //實現一個解構函數（這會覆蓋原有的Finalize方法）在其中呼叫私有方法。
            //這是為了防止用戶忘了呼叫Dispose方法而最終沒有回收這個非托管資源。
            //原有的Finalize方法並不會理會非托管資源。
            this.CloseHandle();
        }
    }

4.10 垃圾回收策略

結合上面4.4，4.8和4.9，就構成了常規的垃圾回收策略：

1. 類中沒有非托管資源，且沒有對象實現IDisposible: 什么也不用做。
2. 類中沒有非托管資源，且有對象實現IDisposible: 特別注意這些對象，確保調用了它們的Dispose方法（顯式或者隱式的）。你可以實現IDisposible，然后實現Dispose方法，在其中釋放資源。
3. 類中有非托管資源: 跟從微軟模板，實現一個私有函數釋放托管和非托管資源，實現IDisposible，然后實現Dispose方法，並在其中調用私有函數，然后呼叫GC.SuppressFinalize（第一道閘）。實現一個解構函數，並在其中調用私有函數（第二道閘）。如果你的第一道閘完美無缺，第二道閘是沒有機會上場的。

4.11 擴展閱讀：

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