.NET面试题系列[5] - 垃圾回收：概念与策略

2023-08-26 15:46:04

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：

0/1/2代：越大的代的堆空间越大。
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：

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。
实现Dispose方法，呼叫私有方法，之后呼叫SuppressFinalize。
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：

类中没有非托管资源，且没有对象实现IDisposible: 什么也不用做。
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。
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

码农公寓