C# 垃圾回收与资源释放

抽厉 · 2025-5-29 13:16:20

垃圾回收

垃圾回收是指由回收不再被引用的对象所占用的内存。
垃圾回收器只回收内存，不处理其他资源，比如数据库连接、句柄（文件、窗口等）、网络端口以及硬件设备（比如串口）。
.NET垃圾回收原理

.NET 的垃圾回收器采用mark-and-compact算法。一次垃圾回收过程开始时，垃圾回收器从根引用（静态变量、CPU寄存器、局部变量或参数实例）查找所有可达对象，然后移动可达对象紧挨着放在一起，最后释放所有不可达对象所占用的内存。
在一次垃圾回收过程中，并不会清除所有未引用对象。根据对象的生存期统计，相比于长期存在的对象，最近创建的对象更可能需要被垃圾回收。因此，.NET垃圾回收器支持“代”(generation)的概念。堆被分为3代，新创建的对象被放在第0代堆上，这部分会以较高的频率执行垃圾回收，在一次垃圾回收后，“存活”下来的对象会被移动到下一代，最高移动到第2代。越高的代执行垃圾回收的频率越低。

可以调用System.GC.Collect()方法强制启动一个垃圾回收过程，但一般不需要使用。如果调用无参数System.GC.Collect()，则会对所有”代“执行垃圾回收。

资源释放

垃圾回收能自动释放托管对象的内存，但并不会释放非托管资源（例如数据库连接、文件句柄、网络连接等）。
当托管类在封装对非托管资源的直接或间接引用时，需要用下文的方法确保非托管资源的释放。
析构函数

C#的析构函数的语法与C++类似，带有~前缀，之后与类名相同，没有返回类型，不带参数，没有访问修饰符。示例：

class MyClass
{
~MyClass()
{
// Finalizer implementation
}
}

复制代码

C#编译器在编译析构函数时，会隐式地把析构函数的代码编译为重写Finalize()方法的等价代码。
下面代码是编译器编译~MyClass()生成的IL：

protected override void Finalize()
{
try
{
// Finalizer implementation
}
finally
{
base.Finalize();
}
}

复制代码

C#的析构函数也被称为终结器（Finalizer）。

析构函数不能在代码中显式调用，而是在垃圾回收前被自动调用。（如果进程异常终止，终结器将不会运行，例如计算机断电或进程被强制终止。）
没有析构函数的对象在垃圾回收时将被直接释放内存，而具有析构函数的对象在垃圾回收时，先被添加到f-reachable队列，然后在一个独立的线程中执行析构函数，执行完成后从f-reachable队列中移除，然后在下一次垃圾回收释放内存。这将有以下影响：

不能确定析构函数什么时候会被执行。
将延迟对象从内存中删除的时间，因为f-reachable队列引用了对象，在从f-reachable队列移除前，垃圾回收器不能释放此对象的内存。因此需要两次垃圾回收才能释放内存。
析构函数中的代码是线程不安全的，需谨慎访问其他托管对象。
如果析构函数引发了未处理异常，会难以诊断，所以要避免在析构函数中引发异常。

IDisposable接口

在C#中，推荐使用System.IDisposable接口代替析构函数释放非托管资源。IDisposable接口定义了一种模式（具有语言级的支持），该模式为释放非托管的资源提供了确定性的机制，并避免析构函数与垃圾回收相关的问题。
当托管类封装了对非托管资源的间接引用时（也就是已变为托管资源），即托管类封装了具有IDisposable接口的对象，只需如下简单实现IDisposable接口：

class MyClass : IDisposable
{
private MyManagedResource _myManagedResource;
public void Dispose()
{
// implementation
_myManagedResource?.Dispose();
}
}

复制代码

Dispose()方法中调用实现了IDisposable接口的封装对象的Dispose()方法。
当托管类封装了对非托管资源的直接引用时，需确保调用Dispose()方法，通过实现析构函数做为一种安全机制，以便在代码中没有调用Dispose()方法时，由析构函数调用Dispose()方法，示例：

class MyClass : IDisposable
{
private bool _disposedValue;
protected virtual void Dispose(bool disposing)
{
if (!_disposedValue)
{
if (disposing)
{
// TODO: 释放托管状态(托管对象)
}
// TODO: 释放未托管的资源(未托管的对象)并重写终结器
// TODO: 将大型字段设置为 null
_disposedValue = true;
}
}
// TODO: 仅当“Dispose(bool disposing)”拥有用于释放未托管资源的代码时才定义终结器
~MyClass()
{
// 不要更改此代码。请将清理代码放入“Dispose(bool disposing)”方法中
Dispose(disposing: false);
}
public void Dispose()
{
// 不要更改此代码。请将清理代码放入“Dispose(bool disposing)”方法中
Dispose(disposing: true);
GC.SuppressFinalize(this);
}
}

复制代码

上述代码中：

Dispose(bool disposing)方法中真正完成清理工作，其参数用于区分是由Dispose()方法调用，还是由析构函数调用，其原因是：
- 如果使用者调用Dispose()，应清理所有与该对象相关的资源，包括托管和非托管的资源。
- 如果调用了析构函数，原则上所有的资源仍需要清理，但是析构函数由垃圾回收器调用，不应访问其他托管的对象，因为析构函数被调用的顺序是不确定的，其他托管对象的析构函数可能已经先被调用。这种情况下，最好只清理非托管资源，引用的任何托管对象由它们自己的析构函数执行清理过程。
_disposedValue成员变量表示对象是否已被清理，确保不试图多次清理资源。它也可以用于在执行实例方法之前检查对象是否已清理。
Dispose()方法包含对System.GC.SuppressFinalize()方法的调用。SuppressFinalize()方法告诉垃圾回收器不需要调用这个对象的析构函数了，即等同于这个对象没有析构函数，因为Dispose()方法已经完成了所需的清理工作，所以析构函数不需要做任何工作。这样就避免了析构函数导致的对象延迟释放。

使用using语句调用Dispose()方法

使用Dispose()方法的简单用法如下：

var myClass = new MyClass();
// do your processing
myClass.Dispose();

复制代码

如果中间出现了异常代码将不会运行到Dispose()方法，所以应使用try/finally块，更简单的方法是使用using语句，这等同于try/finally块，将确保在对象离开作用域时自动调用Dispose()方法：

using(var myClass = new MyClass())
{
// do your processing
}

复制代码

.NET的一些类如果要关闭资源（如文件或数据库），就有Close()和Dispose()方法，其Close()方法只是调用了Dispose()，新的类只实现了Dispose()方法，因为这个模式已经被大家所熟悉。

IDisposable接口和析构函数的规范

如果类定义了实现IDisposable的成员，该类也应该实现IDisposable。
实现IDisposable并不意味着也要实现析构函数，析构函数会带来额外的开销。只有包含非托管资源时才应该实现析构函数。
如果实现了析构函数，就应该实现IDisposable接口，以便非托管资源可以确定性释放，而不用等到垃圾回收时才释放。
析构函数的执行顺序是没有保证的，不能在析构函数中访问其他托管对象，它们的析构函数可能会先执行。
要确保Dispose()方法可以重入（可被多次调用）。

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