.net垃圾回收机制编程调试试验

1. 什么是CLR GC？

它是一个基于引用跟踪和代的垃圾回收器。

从本质上，它为系统中所有活跃对象都实现了一种引用跟踪模式，如果一个对象没有任何引用指向它，那么这个对象就被认为是垃圾对象，并且可以被回收。GC通过代的概念来跟踪对象的持续时间，活跃时间段的对象被归为0代，而活跃时间更长的被归为1代和2代。CLR认为大多数对象都是短暂活跃的，因此0代被收集的频率远远高于1代和2代。

看下GC中对象及其代龄分布：

在.net中，初始分配的小对象在0代上； 通过垃圾回收后，存活的有根对象将被移动到后一代上。

有根对象（引用对象）有哪些？

1.静态、全局对象，包括缓存和进程内Session

2.Com对象计数器 

3.线程堆栈上的局部变量钉扣对象，

4.本地API调用，Remoting/Webservice调用

5.finalizer 队列里的对象

先来一个简单的实例程序，

public class Student
    {
        public string Name { get; set; }
        public string Address { get; set; }
        public Student(string name, string address)
        {
            Name = name;
            Address = address;
        }
    }
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Student wang = new Student("wang", "Beijing");
            Student lee = new Student("lee", "Shanghai");

            //GC.Collect(); 
            Console.ReadLine();
        }
    }

Run Windbg, 看下：

!eeheap -gc

看下每一代在CLR 堆中的起始地址，输出关于GC的信息：

Number of GC Heaps: 1
generation 0 starts at 0x0000000002621030
generation 1 starts at 0x0000000002621018
generation 2 starts at 0x0000000002621000
ephemeral segment allocation context: none
         segment            begin         allocated             size
0000000002620000 0000000002621000  0000000002625fe8 0x0000000000004fe8(20456)
Large object heap starts at 0x0000000012621000
         segment            begin         allocated             size
0000000012620000 0000000012621000  0000000012627048 0x0000000000006048(24648)
Total Size            0xb030(45104)
------------------------------
GC Heap Size            0xb030(45104)

看红色字体，得知：

“第2代的起始地址是 0x0000000002621000，第0代的起始地址是 0x0000000002621030”。 这里暂时先记下，留着后面还会在看。

切换到主线程， 以便看当前程序堆栈，

~0s

关键时候到了，！clrstack -a，继续看：

0:000> !clrstack -a
OS Thread Id: 0x3f70 (0)
>...省略无关内容...

00000000002ceef0 000007ff001701e8 System.IO.TextReader+SyncTextReader.ReadLine()
    PARAMETERS:
        this = 0x0000000002625a98

00000000002cef50 000007fee82dc6a2 Test.Program.Main(System.String[])
    PARAMETERS:
        args = 0x0000000002623598
    LOCALS:
        0x00000000002cef70 = 0x0000000002623658
        0x00000000002cef78 = 0x0000000002623678

当程序实例化两个Student对象，执行完 Student lee = new Student("lee", "Shanghai") 后，
这里保存了2个对象，嘿嘿：

59     LOCALS:
60         0x00000000002cef70 = 0x0000000002623658
61         0x00000000002cef78 = 0x0000000002623678
看到了，第一个对象的地址是：0x0000000002623658， 而前面说，第0代的起始地址是 0x0000000002621030， 很显然，这两个对象被分配在了0代，且占用了0x20（32）个字节。

不相信，那我们来验明下正身，

0:000> .load C:Symbolssosex_64sosex.dll
0:000> !gcgen 0x0000000002623658
GEN 0

呵呵，还要继续验身么，继续...

! do 0x0000000002623658,

0:000> !do 0x0000000002623658
Name: Test.Student
MethodTable: 000007ff00033538
EEClass: 000007ff001623a8
Size: 32(0x20) bytes
 (D:TestPInvokeCPPTestinDebugTest.exe)
Fields:
              MT    Field   Offset                 Type VT     Attr            Value Name
000007fee7577d90  4000001        8        System.String  0 instance 00000000026235b8 <Name>k__BackingField
000007fee7577d90  4000002       10        System.String  0 instance 00000000026235e0 <Address>k__BackingField

验到了， 就是Test.Student类的实例，Name和Address字段都看到了。

开个小差，看看这个实例的内容，

 !do 00000000026235b8，

0:000> !do 00000000026235b8 
Name: System.String
MethodTable: 000007fee7577d90
EEClass: 000007fee717e560
Size: 34(0x22) bytes
 (C:WindowsassemblyGAC_64mscorlib2.0.0.0__b77a5c561934e089mscorlib.dll)
String: wang
Fields:
              MT    Field   Offset                 Type VT     Attr            Value Name
000007fee757f000  4000096        8         System.Int32  1 instance                5 m_arrayLength
000007fee757f000  4000097        c         System.Int32  1 instance                4 m_stringLength
000007fee75797d8  4000098       10          System.Char  1 instance               77 m_firstChar
000007fee7577d90  4000099       20        System.String  0   shared           static Empty
                                 >> Domain:Value  0000000000bcb1d0:0000000002621308 <<
000007fee7579688  400009a       28        System.Char[]  0   shared           static WhitespaceChars
                                 >> Domain:Value  0000000000bcb1d0:0000000002621a98 <<

0:000> !do 00000000026235e0 
Name: System.String
MethodTable: 000007fee7577d90
EEClass: 000007fee717e560
Size: 40(0x28) bytes
 (C:WindowsassemblyGAC_64mscorlib2.0.0.0__b77a5c561934e089mscorlib.dll)
String: Beijing
Fields:
              MT    Field   Offset                 Type VT     Attr            Value Name
000007fee757f000  4000096        8         System.Int32  1 instance                8 m_arrayLength
000007fee757f000  4000097        c         System.Int32  1 instance                7 m_stringLength
000007fee75797d8  4000098       10          System.Char  1 instance               42 m_firstChar
000007fee7577d90  4000099       20        System.String  0   shared           static Empty
                                 >> Domain:Value  0000000000bcb1d0:0000000002621308 <<
000007fee7579688  400009a       28        System.Char[]  0   shared           static WhitespaceChars
                                 >> Domain:Value  0000000000bcb1d0:0000000002621a98 <<
0:000> !do 00000000026235b8 

 果然， 是家住“beijing”的"wang" 同学！

通过这个事例，我们验证了，在.net中，初始分配的小对象在0代上。

那么假设，我们执行GC.Collect()，结果会怎样？

 static void Main(string[] args)
        {
            Student wang = new Student("wang", "Beijing");
            Student lee = new Student("lee", "Shanghai");

            GC.Collect(); 
            Console.ReadLine();
        }

不一步步看了，给明结果吧：

000000000032eb50 000007fee82dc6a2 Test.Program.Main(System.String[])
    PARAMETERS:
        args = 0x00000000025d3598
    LOCALS:
        0x000000000032eb70 = 0x00000000025d3658
        0x000000000032eb78 = 0x00000000025d3678

0:000> !gcgen 0x00000000025d3658
GEN 1
0:000> !gcgen 0x00000000025d3678
GEN 1

2 Dispose，Finalization（终结器）
 

Dispose：用于处置那些占用非托管资源的对象。

Finalization（终结器）： 这是CLR提供的一种机制，允许对象在GC回收其内存之前执行一些清理工作。

当客户端记得的时候使用IDisposable接口释放你的非受控资源，当客户端忘记的时候防护性地使用终结器（finalizer）。它与垃圾收集器（Garbage Collector）一起工作，确保只在必要的时候该对象才受到与终结器相关的性能影响。这是处理非受控资源的一条很好的途径，因此我们应该彻底地认识它。如果你的类使用了非内存资源，它就必须含有一个终结器。你不能依赖客户端总是C#调用Dispose()方法。因为当它们忘记这样做的时候，你就面临资源泄漏的问题。没有调用Dispose是它们的问题，但是你却有过失。

用于保证非内存资源被正确地释放的唯一途径是创建终结器。

调用Dispose()方法的实现（implementation）负责下面四个事务：

1.释放所有的非受控资源。

2.释放所有的受控资源（包括未解开事件）。

3.设置标志表明该对象已经被处理过了。你必须在自己的公共方法中检查这种状态标志并抛出ObjectDisposed异常（如果某个对象被处理过之后再次被调用的话）。

4.禁止终结操作（finalization）。调用GC.SuppressFinalize(this)来完成这种事务。

 Finalization（终结器）原理：

 应用程序创建一个新对象时，new操作符会从堆中分配内存。如果这个对象定义了Finalize方法，那么该类型的实例在构造器被调用之前，会将指向该对象的一个指针放到一个finalization list中。finalization list是由GC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，在回收该对象的内存前，会调用他的Finalize方法。

GC开始时，假定某些对象（如B，C，D对象）被判定位垃圾后，GC会扫描finalization list 以查找指向前述对象（如B，C，D对象）的指针。若发现finalization list有指针指向前述对象（如B，C，D对象）。finalization list会移除指向前述对象（如B，C，D对象）的指针，并把指针追加到Freachable队列。

当垃圾回收器将对象的引用从finalization list移至freachable队列时，对象不再被视为垃圾，其内存不能被回收，即对象“复活”。

然后，GC开始compact可回收内存，特殊的高优先级CLR线程专门负责清空freachable队列，并调用finalize方法。

再次GC被调用时，会发现应用程序的根不再指向它，freachable队列也已经清空。所以，这些对象的内存会被直接回收。

整个过程中，实现Finalization（终结器）的对象需要至少执行两次垃圾回收才能释放其所占内存。（假设对象代龄被提升，则可能多次GC才回收其内存）。

规范的Dispose实现模式：

    public class ComplexCleanupBase : IDisposable
    {
        // some fields that require cleanup  
        private SafeHandle handle;

        private bool disposed = false; // to detect redundant calls

        public ComplexCleanupBase()
        {
            // allocate resources
        }

        protected virtual void Dispose(bool disposing)
        {
            if (!disposed)
            {
                if (disposing)
                {
                    if (handle != null)  
                        handle.Dispose();
                    // dispose-only, i.e. non-finalizable logic
                }

                // shared cleanup logic
                disposed = true;
            }
        }

        public void Dispose()
        {
            Dispose(true);
            GC.SuppressFinalize(this);
        }

        ~ComplexCleanupBase()
        {
            Dispose(false);
        } 
    }

了解上述后，来看个问题：

a. 数据库连接，文件连接假如不手动dispose()，资源会被回收么？

回答上面这个问题前，先做个试验，

 protected void Button1_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            byte[] b = new byte[] { 1, 2, 3, 4, 5 };
            FileStream fs = new FileStream(@"d:	emp.dat", FileMode.Create);
            fs.Write(b, 0, b.Length);

        }

        protected void Button2_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            GC.Collect();          
        }

        protected void Button3_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            File.Delete(@"d:	emp.dat");
        }

Button1,Button2,Button3来回点几下，看看会有什么现象？

连续点击Button1或先点Button1后点Buttion3,第二次都会报错，说明文件连接没有被释放。但是如果点击Button1再点击Button2再点击Button1那么就不会报错了，因为Button2垃圾回收将文件连接关闭了。  

这么说来，数据库连接，文件连接假如不手动dispose()，资源也会被GC回收,因为FileStream里的SaveFileHandle实现了Finalize，执行GC,其Finalize方法起了作用。

好强大的GC哦！ 只不过，需要等待GC.collect()才能释放这些资源连接，但是呢这些资源开着开销很大很昂贵，所以推荐用完即手动dispose().

这样看规范的Dispose实现模式，能够确保.net资源即使被遗忘关闭，借助垃圾回收机制，也能顺利清理其资源。

好了，有了上面这些基础之后，再来看一个例子：

 public class Foo
    {
        Timer _timer;

        public Foo()
        {
            _timer = new Timer(1000);
            _timer.Elapsed += _timer_Elapsed;
            _timer.Start();
        }

        void _timer_Elapsed(object sender, ElapsedEventArgs e)
        {
            Console.WriteLine("Tick");
        }
    }
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Foo foo = new Foo();
            foo = null; 
            Console.ReadLine();
        }
    }

注：Timer类来自using System.Timers;
执行发现会出现一连串的 “Tick”。 这里foo=null并未起到作用，Timer资源并未关闭。这里我们不深究为何foo=null不起作用，实际上是因为.net编译做了优化处理，foo=null直接被编译器忽视了。

那怎么办才能做到万事顺利地关闭Timer？

Dispose模式登场，修改后的类如下：

  public class Foo : IDisposable
    {
        Timer _timer;

        public Foo()
        {
            _timer = new Timer(1000);
            _timer.Elapsed += _timer_Elapsed;
            _timer.Start();
        }

        void _timer_Elapsed(object sender, ElapsedEventArgs e)
        {
            Console.WriteLine("Tick");
        }

        public void Dispose()
        {
            _timer.Dispose();
        }
        ~Foo()
        {
            Dispose();
        }
    }
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            using (Foo foo = new Foo())
            {
                System.Threading.Thread.Sleep(3000);
            }
            Console.ReadLine();
        }
    }