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(jìn)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(yùn)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(fù)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(shí)現(xiàn)。我們用幾段代碼來說明其工作原理，假設(shè)已經(jīng)定義了一個類class1:

class1 object1;

object1=new class1();

第一句定義了一個class1的引用，實(shí)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(shí)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(shí)例化object1對象，實(shí)際上是在托管堆中開僻了一個內(nèi)存空間來存儲類class1的一個具體對象，假設(shè)這個對象需要36個字節(jié)，那么object1指向的實(shí)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(shí)例化的對象，因?yàn)檫@個對象在托管堆中還不存在。當(dāng)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(jī)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(yàn)：電腦用久了以后程序運(yùn)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?yàn)槌绦蚍磸?fù)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?yàn)橛辛死占鞯墓ぷ鳎占鲗嚎s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(dāng)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(luò)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?yàn)閿?shù)組在C#中實(shí)際是System.Array的實(shí)例，會存儲在托管堆中，這將會對運(yùn)算造成大量的額外的操作，因?yàn)槌死占鞒藭嚎s托管堆、更新引用地址、還會維護(hù)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(biāo)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=stackalloc double[50]

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pDouble[0]、*(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(yù)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(jìn)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(rèn)為在未用new定義時，堆應(yīng)該就是未“保留”未“提交”的自由空間，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(jìn)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(shí)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(yīng)用程序在運(yùn)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/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(shí)際建立這個對象，而在Stack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(jī)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(shí)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(biāo)記為垃圾

　　● 尋找正被使用的內(nèi)存塊，并將他們標(biāo)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(shí)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(shè)計(jì)。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，由于它的尺寸很小（小到足以放進(jìn)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。

　　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(yuǎn)不會分得很遠(yuǎn)。這一點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)堆提供的非托管代碼形成了鮮明的對比，在標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)。

　　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(dāng)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(yuǎn)不會被整理。因?yàn)橐苿哟髮ο笏鶐淼拈_銷超過了整理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(yán)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(yīng)當(dāng)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IDisposable接口來實(shí)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(yīng)當(dāng)實(shí)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(shí)現(xiàn)，而在Framework層，終止操作的實(shí)現(xiàn)則是通過重載System.Object.Finalize 方法。以下兩種實(shí)現(xiàn)終止操作的方法是等效的：

　　~OverdueBookLocator()

　　{

　　 Dispose(false);

　　}

　　和：

　　public void Finalize()

　　{

　　 base.Finalize();

　　 Dispose(false);

　　}

　　在C#中，同時在Finalize方法和析構(gòu)函數(shù)實(shí)現(xiàn)終止操作將會導(dǎo)致錯誤的產(chǎn)生。

　　除非你有足夠的理由，否則你不應(yīng)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(xì)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(xì)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(diǎn)都不像。在傳統(tǒng)的堆中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)習(xí)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(dāng)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(dāng)內(nèi)存被分配的時候，指針只是簡單地遞增——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(dāng)對象被分配的時候，它們一開始被放在generation 0中。當(dāng)generation 0的大小快要達(dá)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，因此這將是一個非常快的GC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(shí)正被使用的對象被整理并移入generation 1中。

　　當(dāng)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(biāo)是generation 0，因?yàn)樵?/span>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OutOfMemoryException異常

　　帶有終止操作的對象的垃圾收集過程要稍微復(fù)雜一些。當(dāng)一個帶有終止操作的對象被標(biāo)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(duì)列（finalization queue）中，此隊(duì)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(duì)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(duì)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(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)IDisposable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(shí)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);

　　 }

　　 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(jìn)程時，運(yùn)行時會為進(jìn)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(hù)著一個指針，用它指向?qū)⒃诙阎蟹峙涞南乱粋€對象的地址。最初，該指針設(shè)置為指向托管堆的基址。

認(rèn)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

}