C#的內(nèi)存管理：堆、棧、托管堆與指針

1、c#的內(nèi)存管理：堆、棧、托管堆與指針在 32 位的 windows操作系統(tǒng)中，每個進程都可以使用4gb 的內(nèi)存，這得益于虛擬尋址技術(shù)，在這4gb 的內(nèi)存中存儲著可執(zhí)行代碼、代碼加載的dll 和程序運行的所有變量，在c#中，虛擬內(nèi)存中有個兩個存儲變量的區(qū)域，一個稱為堆棧，一個稱為托管堆，托管堆的出現(xiàn)是 .net 不同于其他語言的地方，堆棧存儲值類型數(shù)據(jù)，而托管堆存儲引用類型如類、對象，并受垃圾收集器的控制和管理。在堆棧中，一旦變量超出使用范圍，其使用的內(nèi)存空間會被其他變量重新使用，這時其空間中存儲的值將被其他變量覆蓋而不復存在，但有時候我們希望這些值仍然存在，這就需要托管堆來實現(xiàn)。我們用幾段代碼

2、來說明其工作原理，假設已經(jīng)定義了一個類class1: public class class1 public void mymethod() public string myproperty get return perty class1 object1; object1=new class1();第一句定義了一個class1 的引用，實質(zhì)上只是在堆棧中分配了一個4 個字節(jié)的空間，它將用來存府后來實例化對象在托管堆中的地址，在windows 中這需要4 個字節(jié)來表示內(nèi)存地址。第二句實例化object1 對象， 實際上是在托管堆中開僻了一個內(nèi)存空間來存儲類class1的一個具體

3、對象，假設這個對象需要36 個字節(jié)，那么object1 指向的實際上是在托管堆一個大小為36 個字節(jié)的連續(xù)內(nèi)存空間開始的地址。由此也可以看出在c#編譯器中為什么不允許使用未實例化的對象，因為這個對象在托管堆中還不存在。當對象不再使用時，這個被存儲在堆棧中的引用變量將被刪除，但是從上述機制可以看出，在托管堆中這個引用指向的對象仍然存在，其空間何時被釋放取決垃圾收集器而不是引用變量失去作用域時。在使用電腦的過程中大家可能都有過這種經(jīng)驗：電腦用久了以后程序運行會變得越來越慢，其中一個重要原因就是系統(tǒng)中存在大量內(nèi)存碎片，就是因為程序反復在堆棧中創(chuàng)建和釋入變量，久而久之可用變量在內(nèi)存中將不再是連續(xù)的內(nèi)存

4、空間，為了尋址這些變量也會增加系統(tǒng)開銷。 在.net 中這種情形將得到很大改善，這是因為有了垃圾收集器的工作，垃圾收集器將會壓縮托管堆的內(nèi)存空間，保證可用變量在一個連續(xù)的內(nèi)存空間內(nèi)，同時將堆棧中引用變量中的地址改為新的地址，這將會帶來額外的系統(tǒng)開銷，但是， 其帶來的好處將會抵消這種影響，而另外一個好處是，程序員將不再花上大量的心思在內(nèi)在泄露問題上。當然，以 c# 程序中不僅僅只有引用類型的變量，仍然也存在值類型和其他托管堆不能管理的對象， 如果文件名柄、 網(wǎng)絡連接和數(shù)據(jù)庫連接，這些變量的釋放仍需要程序員通過析構(gòu)函數(shù)或 idispose 接口來做。另一方面，在某些時候c#程序也需要追求速度，比如

5、對一個含用大量成員的數(shù)組的操作，如果仍使用傳統(tǒng)的類來操作，將不會得到很好的性能，因為數(shù)組在c#中實際是 system.array的實例， 會存儲在托管堆中，這將會對運算造成大量的額外的操作，因為除了垃圾收集器除了會壓縮托管堆、更新引用地址、還會維護托管堆的信息列表。所幸的是c#中同樣能夠通過不安全代碼使用c+ 程序員通常喜歡的方式來編碼，在標記為 unsafe 的代碼塊使用指針，這和在 c+ 中使用指針沒有什么不同，變量也是存府在堆棧中，在這種情況下聲明一個數(shù)組可以使用stackalloc語法，比如聲明一個存儲有50 個 double 類型的數(shù)組：double* pdouble=stackal

6、loc double50;stackalloc會給 pdouble數(shù)組在堆棧中分配50 個 double 類型大小的內(nèi)存空間，可以使用pdouble0 、*(pdouble+1) 這種方式操作數(shù)組，與在c+ 中一樣，使用指針時必須知道自己在做什么，確保訪問的正確的內(nèi)存空間，否則將會出現(xiàn)無法預料的錯誤。掌握托管堆、 堆棧、 垃圾收集器和不安全代碼的工作原理和方式，將有助于你成為真正的優(yōu)秀 c#程序員。進程中每個線程都有自己的堆棧，這是一段線程創(chuàng)建時保留下的地址區(qū)域。我們的“ 棧內(nèi)存 ”即在此。至于 “ 堆” 內(nèi)存，我個人認為在未用new 定義時，堆應該就是未“ 保留 ” 未“ 提交 ” 的自由空

7、間， new 的功能是在這些自由空間中保留（并提交？）出一個地址范圍棧(stack) 是操作系統(tǒng)在建立某個進程時或者線程（在支持多線程的操作系統(tǒng)中是線程）為這個線程建立的存儲區(qū)域，該區(qū)域具有fifo 的特性，在編譯的時候可以指定需要的stack的大小。在編程中，例如c/c+ 中，所有的局部變量都是從棧中分配內(nèi)存空間，實際上也不是什么分配， 只是從棧頂向上用就行，在退出函數(shù)的時候，只是修改棧指針就可以把棧中的內(nèi)容銷毀，所以速度最快。堆 （heap) 是應用程序在運行的時候請求操作系統(tǒng)分配給自己內(nèi)存，一般是申請 /給予的過程，c/c+ 分別用 malloc/new請求分配 heap ，用free/

8、delete銷毀內(nèi)存。由于從操作系統(tǒng)管理的內(nèi)存分配所以在分配和銷毀時都要占用時間，所以用堆的效率低的多！但是堆的好處是可以做的很大， c /c+ 對分配的heap 是不初始化的。在 java 中除了簡單類型（int,char 等）都是在堆中分配內(nèi)存，這也是程序慢的一個主要原因。 但是跟 c/c+ 不同，java 中分配 heap 內(nèi)存是自動初始化的。在 java 中所有的對象 （包括 int 的 wrapper integer ） 都是在堆中分配的， 但是這個對象的引用卻是在stack 中分配。也就是說在建立一個對象時從兩個地方都分配內(nèi)存，在 heap 中分配的內(nèi)存實際建立這個對象，而在 st

9、ack 中分配的內(nèi)存只是一個指向這個堆對象的指針（引用）而已。在.net 的所有技術(shù)中， 最具爭議的恐怕是垃圾收集(garbage collection， gc) 了。作為 .net框架中一個重要的部分，托管堆和垃圾收集機制對我們中的大部分人來說是陌生的概念。在這篇文章中將要討論托管堆，和你將從中得到怎樣的好處。為什么要托管堆？.net 框架包含一個托管堆，所有的.net 語言在分配引用類型對象時都要使用它。像值類型這樣的輕量級對象始終分配在棧中，但是所有的類實例和數(shù)組都被生成在一個內(nèi)存池中，這個內(nèi)存池就是托管堆。垃圾收集器的基本算法很簡單： 將所有的托管內(nèi)存標記為垃圾 尋找正被使用的內(nèi)存塊，

10、并將他們標記為有效 釋放所有沒有被使用的內(nèi)存塊 整理堆以減少碎片托管堆優(yōu)化看上去似乎很簡單， 但是垃圾收集器實際采用的步驟和堆管理系統(tǒng)的其他部分并非微不足道，其中常常涉及為提高性能而作的優(yōu)化設計。舉例來說， 垃圾收集遍歷整個內(nèi)存池具有很高的開銷。 然而，研究表明大部分在托管堆上分配的對象只有很短的生存期，因此堆被分成三個段，稱作 generations 。新分配的對象被放在generation 0中。這個 generation是最先被回收的 在這個 generation中最有可能找到不再使用的內(nèi)存，由于它的尺寸很?。ㄐ〉阶阋苑胚M處理器的l2 cache中），因此在它里面的回收將是最快和最高效的

11、。托管堆的另外一種優(yōu)化操作與locality of reference規(guī)則有關(guān)。該規(guī)則表明，一起分配的對象經(jīng)常被一起使用。如果對象們在堆中位置很緊湊的話，高速緩存的性能將會得到提高。由于托管堆的天性，對象們總是被分配在連續(xù)的地址上，托管堆總是保持緊湊，結(jié)果使得對象們始終彼此靠近， 永遠不會分得很遠。 這一點與標準堆提供的非托管代碼形成了鮮明的對比，在標準堆中，堆很容易變成碎片，而且一起分配的對象經(jīng)常分得很遠。還有一種優(yōu)化是與大對象有關(guān)的。通常，大對象具有很長的生存期。當一個大對象在.net托管堆中產(chǎn)生時，它被分配在堆的一個特殊部分中，這部分堆永遠不會被整理。因為移動大對象所帶來的開銷超過了整理

12、這部分堆所能提高的性能。關(guān)于外部資源（external resources）的問題垃圾收集器能夠有效地管理從托管堆中釋放的資源，但是資源回收操作只有在內(nèi)存緊張而觸發(fā)一個回收動作時才執(zhí)行。那么，類是怎樣來管理像數(shù)據(jù)庫連接或者窗口句柄這樣有限的資源的呢？等待， 直到垃圾回收被觸發(fā)之后再清理數(shù)據(jù)庫連接或者文件句柄并不是一個好方法，這會嚴重降低系統(tǒng)的性能。所有擁有外部資源的類，在這些資源已經(jīng)不再用到的時候，都應當執(zhí)行close 或者 dispose方法。從 beta2 （譯注：本文中所有的beta2 均是指 .net framework beta2，不再特別注明）開始， dispose 模式通過idi

13、sposable接口來實現(xiàn)。這將在本文的后續(xù)部分討論。需要清理外部資源的類還應當實現(xiàn)一個終止操作（finalizer ）。在 c#中，創(chuàng)建終止操作的首選方式是在析構(gòu)函數(shù)中實現(xiàn)，而在framework 層，終止操作的實現(xiàn)則是通過重載system.object.finalize 方法。以下兩種實現(xiàn)終止操作的方法是等效的：overduebooklocator() dispose(false); public void finalize() base.finalize(); dispose(false); 在 c#中，同時在finalize 方法和析構(gòu)函數(shù)實現(xiàn)終止操作將會導致錯誤的產(chǎn)生。除非你有足夠的

14、理由，否則你不應該創(chuàng)建析構(gòu)函數(shù)或者finalize 方法。終止操作會降低系統(tǒng)的性能，并且增加執(zhí)行期的內(nèi)存開銷。同時，由于終止操作被執(zhí)行的方式，你并不能保證何時一個終止操作會被執(zhí)行。內(nèi)存分配和垃圾回收的細節(jié)對 gc 有了一個總體印象之后，讓我們來討論關(guān)于托管堆中的分配與回收工作的細節(jié)。托管堆看起來與我們已經(jīng)熟悉的c+編程中的傳統(tǒng)的堆一點都不像。在傳統(tǒng)的堆中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)習慣于使用大塊的空閑內(nèi)存。在其中查找特定大小的內(nèi)存塊是一件很耗時的工作，尤其是當內(nèi)存中充滿碎片的時候。與此不同， 在托管堆中， 內(nèi)存被組制成連續(xù)的數(shù)組，指針總是巡著已經(jīng)被使用的內(nèi)存和未被使用的內(nèi)存之間的邊界移動。當內(nèi)存被分配的時候，指

15、針只是簡單地遞增 由此而來的一個好處是，分配操作的效率得到了很大的提升。當對象被分配的時候，它們一開始被放在generation 0中。當 generation 0的大小快要達到它的上限的時候，一個只在generation 0中執(zhí)行的回收操作被觸發(fā)。由于generation 0的大小很小，因此這將是一個非?？斓膅c 過程。這個gc 過程的結(jié)果是將generation 0徹底的刷新了一遍。不再使用的對象被釋放，確實正被使用的對象被整理并移入generation 1 中。當 generation 1的大小隨著從generation 0中移入的對象數(shù)量的增加而接近它的上限的時候，一個回收動作被觸發(fā)來

16、在generation 0和 generation 1中執(zhí)行 gc 過程。如同在generation 0中一樣，不再使用的對象被釋放，正在被使用的對象被整理并移入下一個generation中。大部分gc 過程的主要目標是generation 0 ，因為在 generation 0中最有可能存在大量的已不再使用的臨時對象。對generation 2的回收過程具有很高的開銷，并且此過程只有在generation 0和 generation 1的 gc 過程不能釋放足夠的內(nèi)存時才會被觸發(fā)。如果對 generation 2的 gc 過程仍然不能釋放足夠的內(nèi)存，那么系統(tǒng)就會拋出outofmemoryex

17、ception異常帶有終止操作的對象的垃圾收集過程要稍微復雜一些。當一個帶有終止操作的對象被標記為垃圾時，它并不會被立即釋放。相反，它會被放置在一個終止隊列（finalization queue）中，此隊列為這個對象建立一個引用，來避免這個對象被回收。后臺線程為隊列中的每個對象執(zhí)行它們各自的終止操作，并且將已經(jīng)執(zhí)行過終止操作的對象從終止隊列中刪除。只有那些已經(jīng)執(zhí)行過終止操作的對象才會在下一次垃圾回收過程中被從內(nèi)存中刪除。這樣做的一個后果是，等待被終止的對象有可能在它被清除之前，被移入更高一級的generation中，從而增加它被清除的延遲時間。需要執(zhí)行終止操作的對象應當實現(xiàn)idisposabl

18、e接口， 以便客戶程序通過此接口快速執(zhí)行終止動作。 idisposable接口包含一個方法 dispose 。這個被beta2 引入的接口，采用一種在 beta2 之前就已經(jīng)被廣泛使用的模式實現(xiàn)。從本質(zhì)上講，一個需要終止操作的對象暴露出dispose 方法。這個方法被用來釋放外部資源并抑制終止操作，就象下面這個程序片斷所演示的那樣：public class overduebooklocator: idisposable overduebooklocator() internaldispose(false); public void dispose() internaldispose(true)

19、; protected void internaldispose(bool disposing) if(disposing) gc.suppressfinalize(this); / dispose of managed objects if disposing. / free external resources here 這些都是 .net 中 clr 的概念，和c#沒多大關(guān)系。使用基于 clr 的語言編譯器開發(fā)的代碼稱為托管代碼。托管堆是 clr 中自動內(nèi)存管理的基礎(chǔ)。初始化新進程時，運行時會為進程保留一個連續(xù)的地址空間區(qū)域。 這個保留的地址空間被稱為托管堆。托管堆維護著一個指針，用它指

20、向?qū)⒃诙阎蟹峙涞南乱粋€對象的地址。最初，該指針設置為指向托管堆的基址。認真看 msdn library ，就會搞清楚這些概念。以下代碼說明的很形象：/ 引用類型 (class 類類型 ) class someref public int32 x; / 值類型 (struct) struct someval(pulic int32 x; static void valuetypedemo() someref r1=new someref();/分配在托管堆someval v1=new someval();/堆棧上r1.x=5;/解析指針v1.x=5;/在堆棧上修改someref r2=r1;/僅

21、拷貝引用 (指針 ) someval v2=v1;/先在堆棧上分配,然后拷貝成員r1.x=8;/改變了 r1,r2的值v1.x=9;/改變了 v1, 沒有改變 v2 定義一個范圍，將在此范圍之外釋放一個或多個對象。using (font font1 = new font(arial, 10.0f) /do somthing. c# 通過 .net framework 公共語言運行庫(clr) 來自動釋放用來存儲不再需要的對象的內(nèi)存。內(nèi)存的釋放具有不確定性；一旦clr 決定執(zhí)行垃圾回收，就會釋放內(nèi)存。但是，通常最好盡快釋放諸如文件句柄和網(wǎng)絡連接這樣的有限資源。using 語句允許程序員指定使用資源的對象應當何時釋放資源。為using 語句提供的對象必須實現(xiàn)idisposable 接口。此接口提供了dispose 方法，該方法將釋放此對象