.NET的內存分配和釋放解析

王紅偉+王紅紀

摘 要：在面向對象的程序環境中，任何一個程序都需要使用到計算機資源，程序中的每一個類型都代表著程序需要的資源。程序在使用這些資源過程中，要經歷一個分配內存給類型資源、初始化內存及數據類型、訪問數據成員信息、銷毀并清理資源、釋放內存的過程。

關鍵詞：.NET 內存分配 垃圾回收器 內存釋放

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（b）-0028-02

在.NET中，內存中的資源（即所有二進制信息的集合）分為“托管資源”和“非托管資源”。托管資源必須接受.NET的CLR（通用語言運行時，.NET框架的底層）的管理（諸如內存類型安全性檢查），而非托管資源則不必接受.NET的通用語言運行時的管理。.NET對內存的管理首先是管理托管資源和非托管資源所占用的內存分配和釋放；其次是尋找不再使用的對象，釋放其占用的內存，以及釋放非托管資源所占用的內存；最后是釋放內存之后，出現了內存碎片，垃圾回收器移動一些對象，以得到整塊的內存，同時所有的對象引用都將被調整為指向對象新的存儲位置。

1 內存分配

.NET平臺引入高效的、安全的托管執行環境——通用語言運行時。通用語言運行時管理內存的區域，主要有三塊，依次是：（1）線程的堆棧，用于分配值類型實例對象，它主要由操作系統管理，當值類型實例所在方法結束時，其存儲單位自動釋放，堆棧的執行效率高，但存儲容量有限。（2）GC堆（中文名稱垃圾回收，是.NET中對內存管理的一種功能），用于分配小對象實例。（3）LOH（Large Object Heap）堆，用于分配大對象實例。

.NET CLR將所有資源分配到托管堆上，當一個線程初始化，運行時將預定一塊未使用連續的地址空間。這塊地址空間就是托管堆。堆中同時維護著一個指針，我們叫它下一個對象指針。這個指針告訴我們下一個程序對象將被分配到堆中的什么位置。在程序初期，這個指針被設置到最基本的內存地址。使用new運算符創建對象時，運行庫都從托管堆為該對象分配內存。只要托管堆中有地址空間可用，并且空間中夠用，下一個對象指針將指向堆中的此對象，對象構造函數被調用，最后返回對象內存地址。

2 內存釋放與回收

當一個程序使用new操作符創建一個新對象時，可能沒有足夠的地址空間來放置它。為了檢測地址空間是否足夠，托管堆會嘗試把對象放到下一個對象指針位置，如果下一個對象指針移動到超過地址空間邊界，那說明堆已滿，GC則進行垃圾回收。垃圾回收器跟蹤并回收托管內存中分配的對象，定期執行垃圾回收以回收分配給沒有有效引用的對象的內存。當使用可用內存不能滿足內存請求時，垃圾回收會自動進行。在進行垃圾回收時，垃圾回收器首先搜索內存中的托管對象，然后從托管代碼中搜索被引用的對象并標記為有效，接著釋放沒有被標記為有效的對象并收回內存，最后整理內存將有效對象挪動到一起。

3 內存釋放與回收的模式

我們創建的類不包含非托管資源時，只需要直接使用，CLR自然會判斷其生命周期結束而后回收相應的托管資源。但如果我們創建了含有非托管資源的類，CLR提供其他機制來幫助自動釋放非托管資源。在.NET中提供三種模式來回收內存資源：dispose模式、finalize方法、close方法。

（1）dispose提供一種顯式釋放內存資源的方法。此方法用于更快更具操作性進行釋放，可以使用此方法。結構和類型都可以實現IDispose，因為是對象本身釋放非托管資源，所以可以用對象名來顯式的調用來實現內存釋放。所有實現IDisposable接口的類對象都必須調用這一方法。.NET基類庫中許多類型都實現IDisposable接口，有時給這一方法提供另外的別名，例如：輸入輸出類中的Close方法。

（2）finalize方法是.NET的內部的一個釋放內存資源的方法，由垃圾回收器自己調用。此方法被不斷重寫，原因是一些類通過平臺調用服務或復雜的COM互操作性任務使用了非托管資源。對象類中也有這一方法，但創建的類不能重寫此方法，可以通過析構函數來達到同樣的效果。這一方法的作用是保證.NET對象能在垃圾回收時清除非托管資源。通用語言運行時在托管堆上分配對象時，運行庫自動確定該對象是否提供一個自定義的Finalize方法。如果是這樣，對象會被標記為可終結的，同時一個指向這個對象的指針被保存在名為終結隊列的內部隊列中。終結隊列是一個由垃圾回收器維護的表，它指向每一個在從堆上刪除之前必須被終結的對象。Finalize最大作用是確保非托管資源一定被釋放。

（3）close和dispose其實一樣。一些類中沒有定義dispose的方法，只定義了close方法，而close實質上也是調用了一個私有的dispose方法，而finalize其實也是調用一個不對外公開的dispose方法。

4 內存釋放與回收過程

垃圾回收時機：托管堆滿，內存分配即將不足。程序員可以手動調用GC.Collect（）。垃圾確認：通過根來尋找可達的對象，并做標記，然后回收沒有標記的對象。垃圾回收：內存回收，實現了Finalize方法的對象用此方法實現內存回收。內存轉移、合并：垃圾回收后使得內存不連續、零碎，.NET會將利用的內存合并為連續的塊，然后更新對象的指針。

5 內存釋放與回收時的注意事項

值類型（包括引用和對象實例）和引用類型的對象，當它們出了作用域后會自動釋放所占內存。因為它們都保存在“堆棧”中，這是一種先進后出數據結構。引用類型的引用所指向的對象實例保存在“堆”中，而堆因為是一個自由存儲空間，所以它并沒有像“堆棧”那樣有生存期（“堆棧”的元素彈出后就代表生存期結束，也就代表釋放了內存），“垃圾回收器”只對這塊區域起作用。 “垃圾回收器”并不會立即執行（當堆中的資源需要釋放時），因為“垃圾回收器”的調用是比較消耗系統資源的，因此，不能經常被調用。這時，用戶可以調用方法System.GC.Collect（）來強制執行“垃圾回收器”。可實現Dispose（）方法來顯式釋放由對象使用的所有未托管資源。垃圾收集器在釋放了它能釋放的所有對象后，就會壓縮其他對象，把他們都移動回堆的端部，再次形成一個連續的塊。

參考文獻

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