程序師世界是廣大編程愛好者互助、分享、學習的平台,程序師世界有你更精彩!
首頁
編程語言
C語言|JAVA編程
Python編程
網頁編程
ASP編程|PHP編程
JSP編程
數據庫知識
MYSQL數據庫|SqlServer數據庫
Oracle數據庫|DB2數據庫
 程式師世界 >> 編程語言 >> .NET網頁編程 >> C# >> C#基礎知識 >> .NET面試題解析(06)-GC與內存管理

.NET面試題解析(06)-GC與內存管理

編輯:C#基礎知識
  系列文章目錄地址: .NET面試題解析(00)-開篇來談談面試 & 系列文章索引

GC作為.NET的重要核心基礎,是必須要了解的。本文主要側重於GC內存管理中的一些關鍵點,如要要全面深入了解其精髓,最好還是多看看書。

  常見面試題目:

1. 簡述一下一個引用對象的生命周期?

2. 創建下面對象實例,需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;
}

3. 什麼是垃圾?

4. GC是什麼,簡述一下GC的工作方式?

5. GC進行垃圾回收時的主要流程是?

6. GC在哪些情況下回進行回收工作?

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

8. 解釋一下C#裡的析構函數?為什麼有些編程建議裡不推薦使用析構函數呢?

9. Finalize() 和 Dispose() 之間的區別?

10. Dispose和Finalize方法在何時被調用?

11. .NET中的托管堆中是否可能出現內存洩露的現象?

12. 在托管堆上創建新對象有哪幾種常見方式?

  深入GC與內存管理

托管堆中存放引用類型對象,因此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。

微笑 對象創建及生命周期

一個對象的生命周期簡單概括就是:創建>使用>釋放,在.NET中一個對象的生命周期:

  • new創建對象並分配內存
  • 對象初始化
  • 對象操作、使用
  • 資源清理(非托管資源)
  • GC垃圾回收

那其中重要的一個環節,就是對象的創建,大部分的對象創建都是開始於關鍵字new。為什麼說是大部分呢,因為有個別引用類型是由專門IL指令的,比如string有ldstr指令(參考前面的文章:.NET面試題解析(03)-string與字符串操作),0基數組好像也有一個專門指令。

引用對象都是分配在托管堆上的, 先來看看托管堆的基本結構,如下圖,托管堆中的對象是順序存放的,托管堆維護著一個指針NextObjPtr,它指向下一個對象在堆中的分配位置。

創建一個新對象的主要流程

image

以題目2中的代碼為例,模擬一個對象的創建過程:

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,初始為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與字符串操作)可知,代碼會被編譯器優化為_Name=”123abc”。一個字符兩個字節,字符串占用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初始默認為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40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40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,值類型默認初始為0,引用類型默認初始化為NULL;
  • 托管堆指針後移: 指針NextObjPtr後移40個字節。
  • 返回內存地址: 返回對象的內存地址給引用變量。

吐舌笑臉 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。她的基本工作原理就是遍歷托管堆中的對象,標記哪些被使用對象(那些沒人使用的就是所謂的垃圾),然後把可達對象轉移到一個連續的地址空間(也叫壓縮),其余的所有沒用的對象內存被回收掉。

首先,需要再次強調一下托管堆內存的結構,如下圖,很明確的表明了,只有GC堆才是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堆裡面為了提高內存管理效率等因素,有分成多個部分,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,這個區域的主要特點就是:不會輕易被回收;就是回收了也不會被壓縮(因為對象太大,移動復制的成本太高了);

image

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以下三個關鍵步驟:

① 標記

先假設所有對象都是垃圾,根據應用程序根指針Root遍歷堆上的每一個引用對象,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啟一個標示位)。

其中Root根指針保存了當前所有需要使用的對象引用,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

針對所有不可達對象進行清除操作,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)需要單獨回收處理。清除之後,內存就會變得不連續了,就是步驟3的工作了。

③ 壓縮

把剩下的對象轉移到一個連續的內存,因為這些對象地址變了,還需要把那些Root跟指針的地址修改為移動後的新地址。

垃圾回收的過程示意圖如下:

alt

 

垃圾回收的過程是不是還挺辛苦的,因此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。

吐舌笑臉 關於代齡(Generation)

當然,實際的垃圾回收過程可能比上面的要復雜,如果沒次都掃描托管堆內的所有對象實例,這樣做太耗費時間而且沒有必要。分代(Generation)算法是CLR垃圾回收器采用的一種機制,它唯一的目的就是提升應用程序的性能。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:

1、大量新創建的對象生命周期都比較短,而較老的對象生命周期會更長
2、對部分內存進行回收比基於全部內存的回收操作要快
3、新創建的對象之間關聯程度通常較強。heap分配的對象是連續的,關聯度較強有利於提高CPU cache的命中率

如圖3,.NET將托管堆分成3個代齡區域: Gen 0、Gen 1、Gen 2:

  • 第0代,最新分配在堆上的對象,從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托管堆上時,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代升為第1代,第1代升為第2代。

alt

大部分情況,GC只需要回收0代即可,這樣可以顯著提高GC的效率,而且GC使用啟發式內存優化算法,自動優化內存負載,自動調整各代的內存大小。

吐舌笑臉 非托管資源回收

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

Dispose():

常用的大多是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需要手動調用,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,如果程序猿忘了調用接口,則會造成資源得不到釋放。或者調用前出現異常,當然這一點可以使用try…finally避免。

一般都建議使用第二種實現方式,他可以保證無論如何Dispose接口都可以得到調用,原理其實很簡單,using()的IL代碼如下圖,因為using只是一種語法形式,本質上還是try…finally的結構。

image

 

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,無法被子類顯示重寫,也無法顯示調用,是不是有點怪?。她的作用就是用來釋放非托管資源,由GC來執行回收,因此可以保證非托管資源可以被釋放。

  • 無法被子類顯示重寫:.NET提供類似C++析構函數的形式來實現重寫,因此也有稱之為析構函數,但其實她只是外表和C++裡的析構函數像而已。
  • 無法顯示調用:由GC來管理和執行釋放,不需要手動執行了,再也不用擔心猿們忘了調用Dispose了。

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

  • 當CLR在托管堆上分配對象時,GC檢查該對象是否實現了自定義的Finalize方法(析構函數)。如果是,對象會被標記為可終結的,同時這個對象的指針被保存在名為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,它指向每一個在從堆上刪除之前必須被終結的對象。
  • 當GC執行並且檢測到一個不被使用的對象時,需要進一步檢查“終結隊列”來查詢該對象類型是否含有Finalize方法,如果沒有則將該對象視為垃圾,如果存在則將該對象的引用移動到另外一張Freachable列表,此時對象會被復活一次。
  • 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個對象的Finalize方法,然後刪除引用,這時對象實例就被視為不再被使用,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。

上面的過程是不是很復雜!是就對了,如果想徹底搞清楚,沒有捷徑,不要偷懶,還是去看書吧!

簡單總結一下:Finalize()可以確保非托管資源會被釋放,但需要很多額外的工作(比如終結對象特殊管理),而且GC需要執行兩次才會真正釋放資源。聽上去好像缺點很多,她唯一的優點就是不需要顯示調用。

有些編程意見或程序猿不建議大家使用Finalize,盡量使用Dispose代替,我覺得可能主要原因在於:第一是Finalize本身性能並不好;其次很多人搞不清楚Finalize的原理,可能會濫用,導致內存洩露。因此就干脆別用了,其實微軟是推薦大家使用的,不過是和Dispose一起使用,同時實現IDisposable接口和Finalize(析構函數),其實FCL中很多類庫都是這樣實現的,這樣可以兼具兩者的優點:

  • 如果調用了Dispose,則可以忽略對象的終結器,對象一次就回收了;
  • 如果程序猿忘了調用Dispose,則還有一層保障,GC會負責對象資源的釋放;

 

吐舌笑臉 性能優化建議

盡量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、遍歷找到不再被使用的對象、很多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,因此我們在編寫程序時,應該避免不必要的內存分配,也盡量減少或避免使用GC.Collect()來執行垃圾回收,一般GC會在最適合的時間進行垃圾回收。

而且還需要注意的一點,在執行垃圾回收的時候,所有線程都是要被掛起的(如果回收的時候,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

如果你了解GC內存管理以及Finalize的原理,可以同時使用Dispose和Finalize雙保險,否則盡量使用Dispose。

選擇合適的垃圾回收機制:工作站模式、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周期?

  • new創建對象並分配內存
  • 對象初始化
  • 對象操作、使用
  • 資源清理(非托管資源)
  • GC垃圾回收

2. 創建下面對象實例,需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;
}

40字節內存空間,詳細分析文章中給出了。

3. 什麼是垃圾?

一個變量如果在其生存期內的某一時刻已經不再被引用,那麼,這個對象就有可能成為垃圾

4. GC是什麼,簡述一下GC的工作方式?

GC是垃圾回收(Garbage Collect)的縮寫,是.NET核心機制的重要部分。她的基本工作原理就是遍歷托管堆中的對象,標記哪些被使用對象(哪些沒人使用的就是所謂的垃圾),然後把可達對象轉移到一個連續的地址空間(也叫壓縮),其余的所有沒用的對象內存被回收掉。

5. GC進行垃圾回收時的主要流程是?

① 標記:先假設所有對象都是垃圾,根據應用程序根Root遍歷堆上的每一個引用對象,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啟一個標示位)。

② 清除:針對所有不可達對象進行清除操作,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)需要單獨回收處理。清除之後,內存就會變得不連續了,就是步驟3的工作了。

③ 壓縮:把剩下的對象轉移到一個連續的內存,因為這些對象地址變了,還需要把那些Root跟指針的地址修改為移動後的新地址。

6. GC在哪些情況下回進行回收工作?

  • 內存不足溢出時(0代對象充滿時)
  • Windwos報告內存不足時,CLR會強制執行垃圾回收
  • CLR卸載AppDomian,GC回收所有
  • 調用GC.Collect
  • 其他情況,如主機拒絕分配內存,物理內存不足,超出短期存活代的存段門限

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

using() 只是一種語法形式,其本質還是try…finally的結構,可以保證Dispose始終會被執行。

8. 解釋一下C#裡的析構函數?為什麼有些編程建議裡不推薦使用析構函數呢?

C#裡的析構函數其實就是終結器Finalize,因為長得像C++裡的析構函數而已。

有些編程建議裡不推薦使用析構函數要原因在於:第一是Finalize本身性能並不好;其次很多人搞不清楚Finalize的原理,可能會濫用,導致內存洩露,因此就干脆別用了

9. Finalize() 和 Dispose() 之間的區別?

Finalize() 和 Dispose()都是.NET中提供釋放非托管資源的方式,他們的主要區別在於執行者和執行時間不同:

  • finalize由垃圾回收器調用;dispose由對象調用。
  • finalize無需擔心因為沒有調用finalize而使非托管資源得不到釋放,而dispose必須手動調用。
  • finalize不能保證立即釋放非托管資源,Finalizer被執行的時間是在對象不再被引用後的某個不確定的時間;而dispose一調用便釋放非托管資源。
  • 只有class類型才能重寫finalize,而結構不能;類和結構都能實現IDispose。

另外一個重點區別就是終結器會導致對象復活一次,也就說會被GC回收兩次才最終完成回收工作,這也是有些人不建議開發人員使用終結器的主要原因。

10. Dispose和Finalize方法在何時被調用?

  • Dispose一調用便釋放非托管資源;
  • Finalize不能保證立即釋放非托管資源,Finalizer被執行的時間是在對象不再被引用後的某個不確定的時間;

11. .NET中的托管堆中是否可能出現內存洩露的現象?

是的,可能會。比如:

  • 不正確的使用靜態字段,導致大量數據無法被GC釋放;
  • 沒有正確執行Dispose(),非托管資源沒有得到釋放;
  • 不正確的使用終結器Finalize(),導致無法正常釋放資源;
  • 其他不正確的引用,導致大量托管對象無法被GC釋放;

12. 在托管堆上創建新對象有哪幾種常見方式?

  • new一個對象;
  • 字符串賦值,如string s1=”abc”;
  • 值類型裝箱;

版權所有,文章來源:http://www.cnblogs.com/anding

個人能力有限,本文內容僅供學習、探討,歡迎指正、交流。

.NET面試題解析(00)-開篇來談談面試 & 系列文章索引

  參考資料:

書籍:CLR via C#

書籍:你必須知道的.NET

.NET基礎拾遺(1)類型語法基礎和內存管理基礎

一個近乎完美的Finalize配合Dispose的設計模板

步步為營 C# 技術漫談 四、垃圾回收機制(GC)

  1. 上一頁:
  2. 下一頁:
Copyright © 程式師世界 All Rights Reserved