C# 值类型和引用类型的内存管理

本次日志，我们来重点聊一聊软件开发过程中，如何提高性能方面的问题。这是软件开发或研发过程中深层次的问题，这篇文章主要从内存分配和内存回收两方面说明,我们软件代码编写过程中，计算如何来工作的。在此你可以了解内存管理的过程和方式，以便在以后的软件开发中注意它、利用它。

值类型包括：int,float,double,bool,结构，引用，表示对象实例的变量

引用类型包括：类和数组;比较特殊的引用类型string、object

一般情况下：值类型存储在堆栈中（不包括包含在引用中的值类型，如类的值字段，类中的引用字段，数组的元素这些都是随引用存储在受管制的堆中）；引用类型存储在受管制的堆中，为什么说是受管制的堆，下面会具体来谈。

几个概念：

虚拟内存：32位的计算机，每个进程拥有4G的虚拟内存。

受管制的堆（托管堆）：受谁的管制？当然是无用单元收集器，即垃圾收集器。如何管理下面再说？

无用单元收集器：垃圾收集器除了会压缩托管堆、更新引用地址、还会维护托管堆的信息列表等等。

关于值类型的存储先看如下代码：

{

int age=20;

double salary=2000;

}

上面定义的两个变量，int age，告诉编译器需要给我分配4个字节的内存空间来存储age值，它是存储在堆栈上的。堆栈属入先进后出的数据结构，堆栈是从高位地址到低位地址存储数据的。计算机寄存器中保持着一个堆栈指针，他总是指向堆栈最底端的自由空间地址，当我们定义一个int类型的值时，堆栈指针递减四个字节的地址；当变量出了作用域后，堆栈指针相应的相应的递增四个字节的地址，它只是堆栈指针的上下移动，所以堆栈的性能是相当高的。

下面看一下引用类型的存储，还是先看代码：

{

Customer customerA;

customerA=new Customer(); //假定Customer实例占据32个字节

}

上面的代码第一行先声明了一个Customer引用，引用的名字为customerA,在堆栈上给此引用分配存储空间，存储空间的大小为4个字节，因为它只存储了一个引用，这个引用所指向的才是即将存储Customer实例的空间地址，注意此时customerA并没有指向具体的空间，它只是分配了一个空间而已。

第二行执行过程中，.net环境会搜索托管堆，寻找第一个未使用的、连续的32个字节空间分配给类的实例，并设置customerA指向这段空间的顶端位置（堆的空间是从低到高使用的）。当引用变量出作用域后，堆栈中的引用会无效，当托管堆中的实例还在，直到垃圾收集器对其进行清理。

到这里细心的读者可能会有些疑问，是不是定义引用类型时，计算机要搜索整个堆，寻找足够大的内存空间来存储对象呢？这样会不会效率很低？如果没有足够大的连续的空间呢？这个就要谈到“托管”了。堆是受垃圾收集器管理的，.net在执行垃圾收集器时释放能释放的所有对象，并压缩其他对象，然后把所有自由空间组合在一起移动到堆的顶端， 形成连续的块，同时更新其他移动对象的引用。如果再有对象定义，可以很快找到合适的空间。如此看来托管堆工作方式与堆栈类似，它是通过堆指针来完成空间的分配和回收的。

上面谈了.net对内存空间分配的管理过程和方式，接下来谈一谈对内存的回收过程。谈到资源的清理，不得不提到的两个概念和三个方法。

两个概念为：托管资源和非托管资源。

托管资源接受.net framework的CLR(通用语言运行时)的管理；非托管资源则不受它的管理。

三个方法为：Finalize(),Dispose(),Close()。

一、Finalize()为析构方法，清除非托管资源。

在类中定义方式：

public ClassName{

~ClassName()

{

//清理非托管资源(如关闭文件和数据库联接等)

}

}

它的特点是：

1. 运行不确定性。

它是受垃圾收集器的管理，当垃圾收集器工作时，会调用此方法。

2. 性能开销大。

垃圾收集器工作方式为，对象如果执行了Finalize()方法，垃圾收集器第一次执行时，会把它放在一个特殊的队列中；第二次执行的时候才会删除此对象。

3. 不能显示定义和调用，定义为析构方法形式。

基于以上特点，最好不要执行Finalize()方法，除非类确实需要它或与其他两个方法结合来用。

二、Dispose()方法，可清除一切需要清除的资源，包括托管和非托管资源。

定义如下：

public void Dispose()

{

//清理应该清理的资源（包括托管和非托管资源）

System.GC.SuppressFinalize(this); //这一句很重要，下面会解释原因。

}

它的特点：

1. 任何客户代码都应显示调用这个方法，来释放资源。

2. 由于第一点的原因，一般要做一个备份，这个备份一般由析构方法来担任角色。

3. 定义此方法的类，必须继承IDisposable接口。

4. 语法关键字using等同于调用Dispose()，使用using时，它是默认调用Dispose()方法。所以使用using的类也要继承IDisposable接口。

Dispose()方法比较灵活，在资源不需要时立即释放。它是资源的最终处理，调用它意味着会最终删除对象。

三、Close()方法，暂时处置资源的状态，可能以后还会使用。一般处理非托管资源。

定义如下：

public viod Close()

{

//对非托管资源状态的设置，如关闭文件或数据库连接

}

它的特点：

对非托管资源状态的设置，一般是关闭文件或数据库连接。

下面写一个综合且又经典的的例子，利用代码演示一下各部分的作用：(为了省事，这个例子是从网上杜撰来的，只要说明问题就可以了，你说呢。在此应该感谢代码原创者，感谢他写了这么经典和易懂的代码，我们受益匪浅！)

public class ResourceHolder : System.IDisposable

{

public void Dispose()

{

Dispose(true);

System.GC.SuppressFinalize(this);

// 上面一行代码作用是防止"垃圾回收器"调用这个类中的析构方法

// " ~ResourceHolder() "

// 为什么要防止呢? 因为如果用户记得调用Dispose()方法,那么

// "垃圾回收器"就没有必要"多此一举"地再去释放一遍"非托管资源"了

// 如果用户不记得调用呢,就让"垃圾回收器"帮我们去"多此一举"吧 ^_^

// 你看不懂我上面说的不要紧,下面我还有更详细的解释呢!

}

protected virtual void Dispose(bool disposing)

{

if (disposing)

{

// 这里是清理"托管资源"的用户代码段。

}

// 这里是清理"非托管资源"的用户代码段。此处为析构方法的实际执行代码，为了避免客户代码忘记显示调用Dispose()方法，所作的备份。

}

~ResourceHolder()

{

Dispose(false); // 这里是清理"非托管资源"

}

}

如果看不明白以上代码，一定要仔细阅读以下解释，很经典，不看会后悔呦。

这里,我们必须要清楚,需要用户调用的是方法Dispose()而不是方法Dispose(bool),然而,这里真正执行释放工作的方法却并不是Dispose(),而是Dispose(bool) ! 为什么呢?仔细看代码,在Dispose()中,调用了Dispose(true),而参数为"true"时,作用是清理所有的托管资源和非托管资源;大家一定还记得我前面才说过,"使用析构方法是用来释放非托管资源的",那么这里既然Dispose()可以完成释放非托管资源的工作,还要析构方法干什么呢? 其实,析构方法的作用仅仅是一个"备份"!

为什么呢?

格地说,凡执行了接口"IDisposable"的类,那么只要程序员在代码中使用了这个类的对象实例,那么早晚得调用这个类的Dispose()方法,同时,如果类中含有对非托管资源的使用,那么也必须释放非托管资源! 可惜,如果释放非托管资源的代码放在析构方法中(上面的例子对应的是 " ~ResourceHolder() "),那么程序员想调用这段释放代码是不可能做到的(因为析构方法不能被用户调用,只能被系统,确切说是"垃圾回收器"调用),所以大家应该知道为什么上面例子中"清理非托管资源的用户代码段"是在Dispose(bool)中,而不是~ResourceHolder()中! 不过不幸的是,并不是所有的程序员都时刻小心地记得调用Dispose()方法,万一程序员忘记调用此方法,托管资源当然没问题,早晚会有"垃圾回收器"来回收(只不过会推迟一会儿),那么非托管资源呢?它可不受CLR的控制啊!难道它所占用的非托管资源就永远不能释放了吗? 当然不是!我们还有"析构方法"呢! 如果忘记调用Dispose(),那么"垃圾回收器"也会调用"析构方法"来释放非托管资源的!(多说一句废话,如果程序员记得调用Dispose()的话,那么代码"System.GC.SuppressFinalize(this);"则可以防止"垃圾回收器"调用析构方法,这样就不必多释放一次"非托管资源"了) 所以我们就不怕程序员忘记调用Dispose()方法了。