CLR Via CSharp读书笔记（21）：自动内存管理（垃圾回收）

#1 垃圾回收平台的基本工作原理：

访问一个资源所需的具体步骤：

1)调用IL指令newobj，为代表资源的类型分配内存。在C#中使用new操作符，编译器就会自动生成该指令。
2)初始化内存，设置资源的初始状态，使资源可用。类型的实例构造器负责设置该初始状态。
3)访问类型的成员(可根据需要反复)来使用资源。
4)摧毁资源的状态以进行清理。正确清理资源的代码要放在Finalize, Dispose和Close方法。
5)释放内存。垃圾回收器独自负责这一步。

托管堆如何知道应用程序不再用一个对象？

托管堆是CLR中自动内存管理的基础。初始化新进程时，运行时会为进程保留一个连续的地址空间区域。这个保留的地址空间被称为托管堆。托管堆维护着一个指针(NextObjPtr)，用它指向将在堆中分配的下一个对象的地址。最初，该指针设置为指向托管堆的基址。

newobj指令将导致CLR执行以下步骤：

1) 计算类型(及其所有基类型)的字段所需要的字节数。

2) 加上对象的开销所需要的字节数。包括类型对象指针和同步索引块。32位程序需要增加8字节，64位程序需要增加16字节。

3) CLR检查保留区域是否能够提供分配对象所需要的字节数，如有必要就提交存储。如果托管堆有足够的可用空间，对象会被放入。

托管堆上连续分配的对象会由于引用的locality而获得性能上的提升，而且对象可以全部驻留在CPU缓存中，不会因为cache miss而被迫访问较慢的RAM.

托管堆之所有有这些好处，是因为它做了一个假设--地址空间和存储是无限的。托管堆通过垃圾回收器来允许它做这样的假设。

应用程序调用new操作符创建对象时，如果第0代堆满，执行一次垃圾回收。在一次垃圾回收中存活下来的对象被提升到另一代(例如第1代)。

#2 垃圾回收算法：

每个应用程序都包含一组根(root)。静态字段，方法参数和局部变量均被认为是一个根。只有引用类型的变量才被认为是根。值类型的变量永远都不被认为是根。此外，CPU寄存器也被视作根。

垃圾回收器开始执行时，假设堆中的所有对象都是垃圾，然后通过标记（对有跟引用的进行标记）和压缩（回收没有标记的对象）进行垃圾回收。

标记阶段：垃圾回收器沿着线程栈上行以检查所有根，如果发现一个跟(root)引用了一个对象(直接引用或间接引用)，就在对象的"同步索引字段"上开启一位(将一个bit设置为1)进行标记。

压缩阶段：垃圾回收器线性的遍历堆，以寻找未标记对象的连续内存块。若果内存块较小，垃圾回收器会忽略该块。移动内存中的对象后，包含"指向这些对象的指针"的变量和CPU寄存器现在都会变得无效，垃圾回收器需要遍历修改所有根来指向新的内存位置。

#3 垃圾回收与调试：

class DebuggingRoots {
    public static void Go() {
        var t = new System.Threading.Timer(TimerCallback, null, 0, 2000);
        Console.ReadLine();

        // 在ReadLine之后引用t，这种方式会被编译器优化掉
        //t = null;

        // 在ReadLine之后引用t，防止其在Dispose方法返回之前被垃圾回收
        //t.Dispose();
    }

    private static void TimerCallback(Object o) {
        Console.WriteLine("In TimerCallback: " + DateTime.Now);
        // 出于演示目的强制执行垃圾回收
        GC.Collect();
    }
}

#4 使用终结操作释放本地资源：

System.Threading.Mutex类型要打开一个Windows互斥体内核对象(本地资源)并保存其句柄，并在调用Mutex的方法时使用该句柄。

值类型(含所有枚举类型)、集合类型、String、Attribute、Delegate和Exception所代表的资源无需执行特殊的清理操作。如果一个类型代表着(或包装着)一个非托管资源(比如文件、数据库连接、套接字、mutex、位图、图标等)，在对象的内存准备回收时，必须执行一些清理代码。实现了Finalize方法的任何类型实际上是在说，它的所有对象都希望"在被处决之前吃上最后一餐"。

1) 使用CriticalFinalizerObject类型确保终结

CLR赋予这个类以下三个功能：

首次构造任何CriticalFinalizerObject派生类型的一个对象时，CLR立即对继承层次结构中的所有Finalize方法进行JIT编译以确保其肯定得到执行。如果不对Finalize方法进行提前编译，则在内存紧张时，CLR可能找不到足够的内存来编译Finalize方法，这会阻止方法的执行，造成本地资源泄露。此外，如果Finalize方法中的代码引用了另外一个程序集中的一个类型，而且CLR在寻找这个程序集时失败，也会造成资源得不到释放。

CLR是在调用了非CriticalFinalizerObject派生类型的Finalize方法之后，才调用CriticalFinalizerObject派生类型的Finalize方法。例如，FileStream类的Finalize方法可以放心的将数据从内存缓冲区flush到磁盘，它知道此时磁盘文件还没有关闭。

如果AppDomain被一个宿主应用程序(SQL Server或Asp.NET)强行中断，CLR将调用CriticalFinalizerObject派生类型的Finalize方法。

2) SafeHandle类型及其派生类型

对于SafeHandle类，需要注意： 其一，它派生自CriticalFinalizerObject，这确保它会得到CLR的特殊对待； 其二，它是一个抽象类，必须有另外一个类从该类派生，并重写受保护的构造器、抽象方法ReleaseHandle以及抽象属性IsValid的get访问器方法。

3）使用SafeHandle类型与非托管代码进行互操作

与非托管代码进行交互时，SafeHandle提供了另外两个功能： CLR调用Win32 CreateEvent函数，函数返回到托管代码时，新的SafeWaitHandle(CLR知道其从SafeHandle派生)对象的构造以及句柄的赋值是在非托管代码中发生的，不可能被一个ThreadAbortException打断。

SafeHandle派生类的最后一个功能是防止有人利用潜在的安全漏洞。当一个线程可能试图使用一个本地资源，同时另一个线程试图释放该资源，这可能造成一个句柄循环使用漏洞。SafeHandle类防范这个安全隐患的办法是使用引用计数。

CriticalHandle类除了不提供引用计数器功能，其他方面与SafeHandle类相同。CriticalHandle类及其派生类通过牺牲安全性来换取更好的性能。

#5 对托管资源使用终结操作：

虽然终结操作几乎专供释放本地资源，但偶尔也用于托管资源。Finalize方法中调用的任何代码都不能使用其他任何可能已经终结的对象。

即使类型的实例构造器抛出了异常，类型的Finalize方法也会被调用。因此，Finalize方法不应假设对象处于良好、一致的状态。

设计一个类型时，处于性能方面的原因，最好避免使用Finalize方法，因为必须进行额外的处理(分配的时候要将指针放到终结列表，对象可能会提升到较老的代，回收时须进行额外处理).

Finalize方法在垃圾回收发生时运行，而垃圾回收可能在应用程序请求更多内存时才发生；CLR不保证各个Finalize方法的调用顺序；调用静态方法需要注意方法是否在内部访问已终结了的对象。完全可以放心的访问值类型的实例，或者没有定义Finalize方法的引用类型的实例。

#6 导致Finalize方法被调用的5种事件：

第0代满(最常见的方式)
代码显示调用System.GC的静态方法Collect
Windows报告内存不足
CLR卸载AppDomain
CLR关闭

每个Finalize方法大约有2秒时间返回，所有Finalize方法有40秒钟进行返回。如果超时，CLR会直接杀死进程。

#7 终结操作揭秘：

终结列表是由垃圾回收器控制的一个内部数据结构。列表中的每一项都指向一个对象--该对象定义了Finalize方法，在回收该对象的内存之前，应调用它的Finalize方法。

被判定为垃圾的对象，如果定义了Finalize方法，其终结列表中的指针将被移至freachable队列中。一个特殊的高优先级CLR线程负责调用Finalize方法。如果一个对象在freachable队列中，它就是可达的，不是垃圾。可终结的对象需要执行两次或以上（提升至另一代）垃圾回收才能释放他们占用的内存。

#8 Dispose模式：强制对象清理资源：

public abstract class SafeHandleEx : IDisposable
{
    public void Dispose()
    {
        // 传递true,导致可以安全的访问引用其他对象的字段，因为其他这些对象的Finalize方法还没有调用
        this.Dispose(true);
    }

    public void Close()
    {
        // 传递true,导致可以安全的访问引用其他对象的字段，因为其他这些对象的Finalize方法还没有调用
        this.Dispose(true);
    }

    public ~SafeHandleEx()
    {
        // 传递false,导致不能安全的访问引用其他对象的字段，因为其他这些对象的Finalize方法可能已经调用
        this.Dispose(false);
    }

    protected virtual void Dispose(Boolean disposing)
    {
        if (disposing)
        {
            // 在该if语句中，可以安全的访问引用其他对象的字段，因为其他这些对象的Finalize方法还没有调用
        }

        GC.SuppressFinalize(this);
    }
}

#9 使用实现了Dispose模式的类型

public static void Go() {
    Byte[] bytesToWrite = new Byte[] { 1, 2, 3, 4, 5 };
    FileStream fs = new FileStream("Temp.dat", FileMode.Create);
    fs.Write(bytesToWrite, 0, bytesToWrite.Length);

    // 显示关闭文件
    ((IDisposable)fs).Dispose();  

    // 必须调用Dispose之后调用该方法，否则报告文件正在被占用
File.Delete("Temp.dat"); 
}

确定必须清理资源时，确定可以安全的调用Dispose或Close，并希望将对象从终结表中删除，禁止对象提升从而提升性能时，才调用Dispose或Close。

#10 使用C# using语句

#11 StreamWriter对FileStream的依赖

#12 手动监视和控制对象的生存期(GCHandle)