.NET面試題解析(06)-GC與內存管理

時間 2019-11-18

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.NET面試題解析(00)-開篇來談談面試 & 系列文章索引

GC做爲.NET的重要核心基礎，是必需要了解的。本文主要側重於GC內存管理中的一些關鍵點，如要要全面深刻了解其精髓，最好仍是多看看書。html

常見面試題目:

1. 簡述一下一個引用對象的生命週期？面試

2. 建立下面對象實例，須要申請多少內存空間？算法

public class User
{
    public int Age { get; set; }
    public string Name { get; set; }

    public string _Name = "123" + "abc";
    public List<string> _Names;
}

3. 什麼是垃圾？spring

4. GC是什麼，簡述一下GC的工做方式？編程

5. GC進行垃圾回收時的主要流程是？數組

6. GC在哪些狀況下回進行回收工做？性能優化

7. using() 語法是如何確保對象資源被釋放的？若是內部出現異常依然會釋放資源嗎？服務器

8. 解釋一下C#裏的析構函數？爲何有些編程建議裏不推薦使用析構函數呢？函數

9. Finalize() 和 Dispose() 之間的區別？性能

10. Dispose和Finalize方法在什麼時候被調用？

11. .NET中的託管堆中是否可能出現內存泄露的現象？

12. 在託管堆上建立新對象有哪幾種常見方式？

深刻GC與內存管理

託管堆中存放引用類型對象，所以GC的內存管理的目標主要都是引用類型對象，本文中涉及的對象如無明確說明都指的是引用類型對象。

對象建立及生命週期

一個對象的生命週期簡單歸納就是：建立>使用>釋放，在.NET中一個對象的生命週期：

new建立對象並分配內存
對象初始化
對象操做、使用
資源清理（非託管資源）
GC垃圾回收

那其中重要的一個環節，就是對象的建立，大部分的對象建立都是開始於關鍵字new。爲何說是大部分呢，由於有個別引用類型是由專門IL指令的，好比string有ldstr指令（參考前面的文章：.NET面試題解析(03)-string與字符串操做），0基數組好像也有一個專門指令。

引用對象都是分配在託管堆上的，先來看看託管堆的基本結構，以下圖，託管堆中的對象是順序存放的，託管堆維護着一個指針NextObjPtr，它指向下一個對象在堆中的分配位置。

建立一個新對象的主要流程：

以題目2中的代碼爲例，模擬一個對象的建立過程：

public class User
{
    public int Age { get; set; }
    public string Name { get; set; }

    public string _Name = "123" + "abc";
    public List<string> _Names;
}

對象大小估算，共計40個字節：
- 屬性Age值類型Int，4字節；
- 屬性Name，引用類型，初始爲NULL，4個字節，指向空地址；
- 字段_Name初始賦值了，由前面的文章（.NET面試題解析(03)-string與字符串操做）可知，代碼會被編譯器優化爲_Name=」123abc」。一個字符兩個字節，字符串佔用2×6+8（附加成員：4字節TypeHandle地址，4字節同步索引塊）=20字節，總共內存大小=字符串對象20字節+_Name指向字符串的內存地址4字節=24字節；
- 引用類型字段List<string> _Names初始默認爲NULL，4個字節；
- User對象的初始附加成員（4字節TypeHandle地址，4字節同步索引塊）8個字節；
內存申請：申請44個字節的內存塊，從指針NextObjPtr開始驗證，空間是否足夠，若不夠則觸發垃圾回收。
內存分配：從指針NextObjPtr處開始劃分44個字節內存塊。
對象初始化：首先初始化對象附加成員，再調用User對象的構造函數，對成員初始化，值類型默認初始爲0，引用類型默認初始化爲NULL；
託管堆指針後移：指針NextObjPtr後移44個字節。
返回內存地址：返回對象的內存地址給引用變量。

GC垃圾回收

GC是垃圾回收（Garbage Collect）的縮寫，是.NET核心機制的重要部分。她的基本工做原理就是遍歷託管堆中的對象，標記哪些被使用對象（那些沒人使用的就是所謂的垃圾），而後把可達對象轉移到一個連續的地址空間（也叫壓縮），其他的全部沒用的對象內存被回收掉。

首先，須要再次強調一下託管堆內存的結構，以下圖，很明確的代表了，只有GC堆纔是GC的管轄區域，關於加載堆在前面文中有提到過（.NET面試題解析(04)-類型、方法與繼承）。GC堆裏面爲了提升內存管理效率等因素，有分紅多個部分，其中兩個主要部分：

0/1/2代：代齡（Generation）在後面有專門說到；
大對象堆(Large Object Heap)，大於85000字節的大對象會分配到這個區域，這個區域的主要特色就是：不會輕易被回收；就是回收了也不會被壓縮（由於對象太大，移動複製的成本過高了）；

圖3（Figure-3）

什麼是垃圾？簡單理解就是沒有被引用的對象。

垃圾回收的基本流程包含如下三個關鍵步驟：

① 標記

先假設全部對象都是垃圾，根據應用程序根指針Root遍歷堆上的每個引用對象，生成可達對象圖，對於還在使用的對象（可達對象）進行標記（其實就是在對象同步索引塊中開啓一個標示位）。

其中Root根指針保存了當前全部須要使用的對象引用，他其實只是一個統稱，意思就是這些對象當前還在使用，主要包含：靜態對象/靜態字段的引用；線程棧引用（局部變量、方法參數、棧幀）；任何引用對象的CPU寄存器；根引用對象中引用的對象；GC Handle table；Freachable隊列等。

② 清除

針對全部不可達對象進行清除操做，針對普通對象直接回收內存，而對於實現了終結器的對象（實現了析構函數的對象）須要單獨回收處理。清除以後，內存就會變得不連續了，就是步驟3的工做了。

③ 壓縮

把剩下的對象轉移到一個連續的內存，由於這些對象地址變了，還須要把那些Root跟指針的地址修改成移動後的新地址。

垃圾回收的過程示意圖以下：

垃圾回收的過程是否是還挺辛苦的，所以建議不要隨意手動調用垃圾回收GC.Collect()，GC會選擇合適的時機、合適的方式進行內存回收的。

關於代齡（Generation）

固然，實際的垃圾回收過程可能比上面的要複雜，若是沒次都掃描託管堆內的全部對象實例，這樣作太耗費時間並且沒有必要。分代(Generation)算法是CLR垃圾回收器採用的一種機制，它惟一的目的就是提高應用程序的性能。分代回收，速度顯然快於回收整個堆。分代(Generation)算法的假設前提條件：

一、大量新建立的對象生命週期都比較短，而較老的對象生命週期會更長
二、對部份內存進行回收比基於所有內存的回收操做要快
三、新建立的對象之間關聯程度一般較強。heap分配的對象是連續的，關聯度較強有利於提升CPU cache的命中率

如圖3，.NET將託管堆分紅3個代齡區域: Gen 0、Gen 一、Gen 2：

第0代，最新分配在堆上的對象，歷來沒有被垃圾收集過。任何一個新對象，當它第一次被分配在託管堆上時，就是第0代（大於85000的大對象除外）。
第1代，0代滿了會觸發0代的垃圾回收，0代垃圾回收後，剩下的對象會搬到1代。
第2代，當0代、1代滿了，會觸發0代、1代的垃圾回收，第0代升爲第1代，第1代升爲第2代。

大部分狀況，GC只須要回收0代便可，這樣能夠顯著提升GC的效率，並且GC使用啓發式內存優化算法，自動優化內存負載，自動調整各代的內存大小。

非託管資源回收

.NET中提供釋放非託管資源的方式主要是：Finalize() 和 Dispose()。

Dispose()：

經常使用的大可能是Dispose模式，主要實現方式就是實現IDisposable接口，下面是一個簡單的IDisposable接口實現方式。

public class SomeType : IDisposable
{
    public MemoryStream _MemoryStream;
    public void Dispose()
    {
        if (_MemoryStream != null) _MemoryStream.Dispose();
    }
}

Dispose須要手動調用，在.NET中有兩中調用方式：

//方式1：顯示接口調用
SomeType st1=new SomeType();
//do sth
st1.Dispose();

//方式2：using()語法調用，自動執行Dispose接口
using (var st2 = new SomeType())
{
    //do sth
}

第一種方式，顯示調用，缺點顯而易見，若是程序猿忘了調用接口，則會形成資源得不到釋放。或者調用前出現異常，固然這一點可使用try…finally避免。

通常都建議使用第二種實現方式，他能夠保證不管如何Dispose接口均可以獲得調用，原理其實很簡單，using()的IL代碼以下圖，由於using只是一種語法形式，本質上仍是try…finally的結構。

Finalize() ：終結器（析構函數）

首先了解下Finalize方法的來源，她是來自System.Object中受保護的虛方法Finalize，沒法被子類顯示重寫，也沒法顯示調用，是否是有點怪？。她的做用就是用來釋放非託管資源，由GC來執行回收，所以能夠保證非託管資源能夠被釋放。

沒法被子類顯示重寫：.NET提供相似C++析構函數的形式來實現重寫，所以也有稱之爲析構函數，但其實她只是外表和C++裏的析構函數像而已。
沒法顯示調用：由GC來管理和執行釋放，不須要手動執行了，不再用擔憂猿們忘了調用Dispose了。

全部實現了終結器（析構函數）的對象，會被GC特殊照顧，GC的終止化隊列跟蹤全部實現了Finalize方法（析構函數）的對象。

當CLR在託管堆上分配對象時，GC檢查該對象是否實現了自定義的Finalize方法（析構函數）。若是是，對象會被標記爲可終結的，同時這個對象的指針被保存在名爲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，它指向每個在從堆上刪除以前必須被終結的對象。
當GC執行而且檢測到一個不被使用的對象時，須要進一步檢查「終結隊列」來查詢該對象類型是否含有Finalize方法，若是沒有則將該對象視爲垃圾，若是存在則將該對象的引用移動到另一張Freachable列表，此時對象會被複活一次。
CLR將有一個單獨的高優先級線程負責處理Freachable列表，就是依次調用其中每一個對象的Finalize方法，而後刪除引用，這時對象實例就被視爲再也不被使用，對象再次變成垃圾。
下一個GC執行時，將釋放已經被調用Finalize方法的那些對象實例。

上面的過程是否是很複雜！是就對了，若是想完全搞清楚，沒有捷徑，不要偷懶，仍是去看書吧！

簡單總結一下：Finalize()能夠確保非託管資源會被釋放，但須要不少額外的工做（好比終結對象特殊管理），並且GC須要執行兩次纔會真正釋放資源。聽上去好像缺點不少，她惟一的優勢就是不須要顯示調用。

有些編程意見或程序猿不建議你們使用Finalize，儘可能使用Dispose代替，我以爲可能主要緣由在於：第一是Finalize自己性能並很差；其次不少人搞不清楚Finalize的原理，可能會濫用，致使內存泄露。所以就乾脆別用了，其實微軟是推薦你們使用的，不過是和Dispose一塊兒使用，同時實現IDisposable接口和Finalize（析構函數），其實FCL中不少類庫都是這樣實現的，這樣能夠兼具二者的優勢：

若是調用了Dispose，則能夠忽略對象的終結器，對象一次就回收了；

若是程序猿忘了調用Dispose，則還有一層保障，GC會負責對象資源的釋放；

性能優化建議

儘可能不要手動執行垃圾回收的方法：GC.Collect()

垃圾回收的運行成本較高（涉及到了對象塊的移動、遍歷找到再也不被使用的對象、不少狀態變量的設置以及Finalize方法的調用等等），對性能影響也較大，所以咱們在編寫程序時，應該避免沒必要要的內存分配，也儘可能減小或避免使用GC.Collect()來執行垃圾回收，通常GC會在最適合的時間進行垃圾回收。

並且還須要注意的一點，在執行垃圾回收的時候，全部線程都是要被掛起的（若是回收的時候，代碼還在執行，那對象狀態就不穩定了，也沒辦法回收了）。

推薦Dispose代替Finalize

若是你瞭解GC內存管理以及Finalize的原理，能夠同時使用Dispose和Finalize雙保險，不然儘可能使用Dispose。

選擇合適的垃圾回收機制：工做站模式、服務器模式

題目答案解析:

1. 簡述一下一個引用對象的生命週期？

new建立對象並分配內存
對象初始化
對象操做、使用
資源清理（非託管資源）
GC垃圾回收

2. 建立下面對象實例，須要申請多少內存空間？

public class User
{
    public int Age { get; set; }
    public string Name { get; set; }

    public string _Name = "123" + "abc";
    public List<string> _Names;
}