Garbage Collection Essence--.Net中Garbage Collection深入探讨

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            memory leak内存泄漏，managed heap托管堆，reference对象引用，Generational Garbage Collector分代的垃圾回收器，finalizer终结器,finalize终结方法，Dispose处置，managed resource& unmanaged resource托管资源&非托管资源

正文：
part I:managed resources的回收

        在.Net Framework里面，当我们通过new 创建某个对象时，其会在在managed heap上开辟相应的空间，同时返回一个指向该对象的reference，不能混淆的是reference 是位于非托管的stack上的，只是该reference指向位于managed heap上的对象。当对象不可达(unreachable)的时，garbage collector将将其回收。这就是.Net Framework的垃圾自动回收机制。
        因此，在.net framework里面，一般情况下，不需要我们自己编写任何内存回收的代码，来进行垃圾回收的处理。
        例如，我们创建一个MyClass类型的instance，
        MyClass obj=new MyClass();
        当将其compile后，我们利用ILDASM可以看到，其相应的CIL代码如下：
        ..... 
        IL_0000: newobj instance void .MyClass::.ctor()
        ......
        实际上，newobj指令通知CLR执行下面的核心任务：
            1 计算分配对象所需要的总内存数（包含类型的成员变量和类型的基类所需的必要内存）
            2 检查托管堆，确保有足够的空间来放置要分配的对象。如果空间足够，调用类型的构造函数，最终将内存中新对象的reference返回给调用者。
            3 最后，在将引用返回给调用者之前，移动下一个对象的指针，指向managed heap上的下一个可用的位置。
Regulation 1:如果托管堆没有足够的内存来分配所请求的对象，就会启动GC进程进行垃圾回收。
当确认发生回收时，GC会暂时挂起所有当前processes中的threads,以保证在垃圾回收过程中不会访问managed heap。一旦回收结束，挂起的thread继续他们的工作。.NET GC已经作了精心优化，所以用户很少感觉到应用程序的中断。
        那么，如何确定哪些对象不再被引用而成为GC回收的对象呢？
        在此，我们引入Application Root（应用程序根）的概念。
        所谓Application Root，可以看成是一种记录所有managed heap上对象的引用的一种单元。也就是说，凡是被引用的对象，在Application root上都有其相应的记录，该对象称为有根的(rooted)， 否则被标为终结(finalize),就是可以回收的垃圾了。当garbage回收之后，Application Root修改相应的集合，managed heap指针作进一步调整指向managed heap最后对象的下一个地址。

 垃圾回收器的分代(generational garbage collector)
        当CLR试图寻找unreachable的对象时，如果逐个全部检查managed heap里面的所有对象时，将花费大量精力。那么Micorsoft设计了一种可分代的垃圾回收器。 他的基本假设是：如果某个对象某次不会回收，那么他下次不会被回收的可能性较大，也即对象在heap上停留的时间越长，他就跟可能被保留。相反，最近才放到managed heap上的对象可能很快就unreachable了，比如一些临时对象。
        基于以上架设（题外话：这个假设就是virtual memory的实现可能性的假设，是一样的），MS把managed heap分为3代managed heap:即第0代，第1代和第2代。在回收过程中，始终回收第0代的garbage。凡是没有回收的第0代中的对象被装移到第1代managed heap中；以此类推。
        在.Net FrameWork里面，所有有关垃圾回收的namespace都在system.GC里面。一般来说，我们不需要explicitly 调用GC.Collect来进行垃圾回收。只有在创建了那些使用了unmanaged resources的类型时，才需要我们explicitly调用相应的垃圾回收方法。

part II:unmanaged resources 的回收
        我们知道，大多数的C#类都不需要显示的回收垃圾处理，所有这些对象都会被GC回收。只有在我们使用unmanaged resources, 才可能需要设计一个在用完后清理自身的类。这是涉及到的概念就有3个，分别是析构函数，Finalize()，和Dispose()。下面分别一一讲述。
        1.Finalize()
        Finalize()是System.Object类的一个虚方法
        public class Object
        {
        .....
        protectd virtual void Finalize(){}
        }
当用户在自定义的class中override了Finalize()时候，就为该类型重新定义了清理逻辑。但是，该方法是protected，所以在自定义类中不可能explicitly调用Finalize()。那么我们自定义的Finalize()如何被调用的呢？实际上，都是由GC在从内存中clean 对象之前，GC会自动调用对象的Finalize()方法（如果override了的话）。具体过程相当complex  :)
           题外话：
            问：如何override自定义类的Finalize()？
            答：按理说，在自定义类中，我们可以protected overide 来自Object类的Finalize()方法。可是奇怪的是，C#中部允许override这个Finalize()呢？我们只能通过析构函数来override Finalize().
            问：GC是如何回收explicitly实现了Finalize()的对象的managed heap上的空间？
            答：
            当在managed heap上分配对象时，CLR自动确定该对象是否提供一个自定义的Finalize()方法。如果是这样，对象被标记为可终结的, 这时一个指向该对象的指针被保存在终结队列（Finalization List)的内部列表中。终结队列是由GC维护的表，他指向每一个在managed heap上clean之前必须被终结的对象。
            当GC确定开始回收时，他检查Finalization List上的每一个项，并将对象从managed heap上复制到另一个称为终结可达表(Finalization reachable table)的托管结构上。此时，下一个垃圾回收的时候产生另外一个线程，为每一个在可达表中的对象调用Finalize()方法。
        因此，为了真正终结一个对象，至少需要进行2次垃圾回收。
        因此，只要有可能的话，应该在设计的时候尽量避免override Finalize()，除非是使用了unmanaged resource。否则会有很大代价也没必要。
            
            2 析构函数
            大家在C++里面可能对于析构函数非常了解，但是在C#里面绝少有析构函数的说法。因为一般情况下，我们根本不需要自己处理资源回收。那么，在C#里面，到底有没有析构函数呢？
            应该说，在C#里面，我们可以编写析构函数，但是其本质是：对象的析构函数在编译后将会编译成为对象的Finalize（）方法.只不过，在Finalize方法中，增加了许多必需的基础代码。也就是说，实际上还是回到了Finalize()的老路上去了。

            3 Dispose()
    除了以上通过override Finalize()这个方法可以implement对对unmanaged resource进行清理外，我们还可以通过实现IDisposable接口的Dispose()方法，来实现对unmanaged resource的release。因此，如果我们自定义的类中实现了IDisposable的Dispose方法。那么在对象不再被引用时，应该手动调用对象的Dispose()方法。这样对象可以执行必要的unmanaged resource的release,而不需要将对象放到Finalization List上导致的系统开销。
        题外话：
        问：struct和class都可以override IDispoable的Dispose()方法吗？同样，Finalize()方法呢？
        答：struct和class 都可以实现 IDisposable的Dispose()方法，但是struct不能override Finalize()!因为struct是 value type,根本不存在析构函数！
        
            继续刚才的话题，我们我们implement IDisposable 的Dispose()方法后，要实现对unmanaged resource的release, 对象必须保证最后无论如何显示调用Dispose()方法，所以最好就是try-catch-finally了。这样相当麻烦。为了解决这一问题，C#提供了using 这一语法。例如
       using(MyClass obj=new MyClass())
        {
            .....
        }
    当退出using 的作用域时，其会自动调用obj.Dispose()方法！so cool :)!因此，当引用using 指令时，其对象必须保证显示实现了IDisposable的Dispose方法；否则编译错误！！
       (using 还可以表示对namespace的引用，不要搞错了！)

        写到这里，我想读者对.Net Framework的垃圾回收及实现机制应该差不多清楚了。