.NET垃圾回收 – 非托管资源

前面一篇文章介绍了垃圾回收的基本工作原理，垃圾回收器并不是可以管理内存中的所有资源。对于所有的托管资源都将有.NET垃圾回收机制来释放，但是，对于一些非托管资源，我们就需要自己编写代码来清理这类资源了。

其实在C#开发中，大部分资源都可以通过.NET垃圾回收机制进行回收，只用当我们使用非托管资源（原始的操作系统文件句柄，原始的非托管数据库连接，非托管内存等等）的时候，我们才需要实现自己的资源清理代码。

.NET提供了两种释放非托管资源的方式，类型自己的Finalize方法和IDisposable接口的Dispose方法。

下面就来看看这两个跟垃圾回收相关的方法。

Finalize方法

在.NET的基类System.Object中，定义了名为Finalize()的虚方法，这个方法默认什么都不做。

我们可以为自定义的类型重写Finalize方法，在该方法中加入必要的非托管资源清理逻辑。当要从内存中删除这个类型的对象时，垃圾回收器会调用对象的Finalize方法。所以，无论.NET进行一次自发的垃圾回收，还是我们通过GC.Collect()进行强制垃圾回收，Finalize方法总是会被调用。另外，当承载应用程序的AppDomain从内存中移除时，同样会调用Finalize方法。

重写Finalize方法

假设我们现在有一个使用非托管资源的类型，那么我们就需要重写Finalize方法来进行非托管资源的清理，但是当通过下面的方式重写Finalize方法的时候，我们会得到一个编译错误。

class MyResourceWrapper
{
    protected override void Finalize()
    {

    }
}

其实，当我们想要重写Finalize方法时，C#为我们提供了（类似C++）析构函数语法（C#终结器）来重写该方法。C#终结器和构造函数语法类似，方法名称都和类型名称一样；不同的是，终结器具有~前缀，并且不能使用访问修饰符，不接受参数，也不能重载，所以一个类只能有一个终结器。

class MyResourceWrapper
{
    ~MyResourceWrapper()
    {
        Console.WriteLine("release unmanaged resources");
        Console.Beep();
    }
}

之所以C#只支持这种方式进行Finalize方法的重写，是因为C#编译器会为Finalize方法隐式地加入一些必需的基础代码。下面就是我们通过ILSpy查看到了IL代码，Finalize方法作用域内的代码被放在了一个try块中，然后不管在try块中是否遇到异常，finally块保证了Finalize方法总是能够被执行。

.method family hidebysig virtual
    instance void Finalize () cil managed
{
    // Method begins at RVA 0x2050
    // Code size 31 (0x1f)
    .maxstack 

    .try
    {
        IL_0000: nop
        IL_0001: ldstr "release unmanaged resources"
        IL_0006: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
        IL_000b: nop
        IL_000c: call void [mscorlib]System.Console::Beep()
        IL_0011: nop
        IL_0012: nop
        IL_0013: leave.s IL_001d
    } // end .try
    finally
    {
        IL_0015: ldarg.0
        IL_0016: call instance void [mscorlib]System.Object::Finalize()
        IL_001b: nop
        IL_001c: endfinally
    } // end handler

    IL_001d: nop
    IL_001e: ret
} // end of method MyResourceWrapper::Finalize

当我们执行下面代码时，我们就可以听到系统蜂鸣声，像我们前面介绍的一样AppDomain被移除内存，类型终结器将被调用。

static void Main(string[] args)
{
    MyResourceWrapper mr = new MyResourceWrapper();
}

Finalize的工作机制

Finalize的工作机制还是比较复杂的，这里只是简单的介绍，更多的原理大家可以自己网上查查。

当在托管堆上分配对象空间时，运行库会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，同时一个指向这个对象的指针被保存在名为终结队列的内部队列中。终结队列是一个由垃圾回收器维护的表，它指向每一个在从堆上删除之前必须终结的对象。

当垃圾回收器确定到了从内存中释放一个对象的时间时，它检查终结队列上的每一个项，并将对象从堆上复制到另一个称作终结可达表（finalization reachable table的托管结构上。此时，下一个垃圾回收时将产生另外一个线程，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，至少要进行两次垃圾回收。

从上面可以看到，Finalize方法的调用是相当消耗资源的。Finalize方法的作用是保证.NET对象能够在垃圾回收时清理非托管资源，如果创建了一个不使用非托管资源的类型，实现终结器是没有任何作用的。所以说，如果没有特殊的需求应该避免重写Finalize方法。

IDisposable接口

当垃圾回收生效时，可以利用终结器来释放非托管资源。然而，很多非托管资源都非常宝贵（如数据库和文件句柄），所以它们应该尽可能快的被清除，而不能依靠垃圾回收的发生。除了重写Finalize之外，类还可以实现IDisposable接口，然后在代码中主动调用Dispose方法来释放资源。

看一个例子：

class MyResourceWrapper:IDisposable
{
    public void Dispose()
    {
        Console.WriteLine("release resources with Dispose");
        Console.Beep();
    }
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        MyResourceWrapper mr = new MyResourceWrapper();
        mr.Dispose();
    }
}

同样，当我们显示的调用Dispose方法的时候，可以听到系统的蜂鸣声。

注意，通过Dispose进行资源的释放也是有潜在的风险的，因为Dispose方法需要被程序员显示的调用，如果代码中漏掉了Dispose的调用或者在Dispose调用之前产生了异常从而没有指定Dispose，那么有些资源可能就一直留在内存中了。

所以我们应该使用下面的方式保证Dispose方法可以被调用到：

static void Main(string[] args)
{
    MyResourceWrapper mr = new MyResourceWrapper();
    try
    {
        //do something wiht mr object
    }
    finally
    {
        mr.Dispose();
    }
}

但是，每次编写Dispose的代码都使用try块会觉得很麻烦，还好C#中，我们可以重用using关键字来简化Dispose的调用。

重用using关键字

在C#中，using语句提供了一个高效的调用对象Dispose方法的方式。对于任何IDispose接口的类型，都可以使用using语句，而对于那些没有实现IDisposable接口的类型，使用using语句会导致一个编译错误。

static void Main(string[] args)
{
    using (MyResourceWrapper mr = new MyResourceWrapper())
    {
        //do something with mr object
    }
}

在using语句块结束的时候，mr实例的Dispose方法将会被自动调用。using语句不仅免除了程序员输入Dispose调用的代码，它还保证Dispose方法被调用，无论using语句块顺利执行结束，还是抛出一个异常。事实上，C#编译器为using语句自动添加了try/finally块。我们可以看看using的IL代码：

.try
{
    IL_0007: nop
    IL_0008: nop
    IL_0009: leave.s IL_001b
} // end .try
finally
{
    IL_000b: ldloc.0
    IL_000c: ldnull
    IL_000d: ceq
    IL_000f: stloc.1
    IL_0010: ldloc.1
    IL_0011: brtrue.s IL_001a

    IL_0013: ldloc.0
    IL_0014: callvirt instance void [mscorlib]System.IDisposable::Dispose()
    IL_0019: nop

    IL_001a: endfinally
} // end handler

Dispose和Finalize的结合

从前面的介绍了解到，Finalize可以通过垃圾回收进行自动的调用，而Dispose需要被代码显示的调用，所以，为了保险起见，对于一些非托管资源，还是有必要实现终结器的。也就是说，如果我们忘记了显示的调用Dispose，那么垃圾回收也会调用Finalize，从而保证非托管资源的回收。

其实，MSDN上给我们提供了一种很好的模式来实现IDisposable接口来结合Dispose和Finalize，例如下面的代码：

class MyResourceWrapper:IDisposable
{
    private bool IsDisposed=false;  

    public void Dispose()
    {
        Dispose(true);
        //tell GC not invoke Finalize method
        GC.SuppressFinalize(this);
    }  

    protected void Dispose(bool Disposing)
    {
        if(!IsDisposed)
        {
            if(Disposing)
            {
                //clear managed resources
            }
            //clear unmanaged resources
        }
        IsDisposed=true;
    }

    ~MyResourceWrapper()
    {
        Dispose(false);
    }
}

在这个模式中，void Dispose(bool Disposing)函数通过一个Disposing参数来区别当前是否是被Dispose()调用。如果是被Dispose()调用，那么需要同时释放托管和非托管的资源。如果是被终结器调用了，那么只需要释放非托管的资源即可。Dispose()函数是被其它代码显式调用并要求释放资源的，而Finalize是被GC调用的。

另外，由于在Dispose()中已经释放了托管和非托管的资源，因此在对象被GC回收时再次调用Finalize是没有必要的，所以在Dispose()中调用GC.SuppressFinalize(this)避免重复调用Finalize。同样，因为IsDisposed变量的存在，资源只会被释放一次，多余的调用会被忽略。

所以这个模式的优点可以总结为：

1. 如果没有显示的调用Dispose()，未释放托管和非托管资源，那么在垃圾回收时，还会执行Finalize()，释放非托管资源，同时GC会释放托管资源
2. 如果调用了Dispose()，就能及时释放了托管和非托管资源，那么该对象被垃圾回收时，就不会执行Finalize()，提高了非托管资源的使用效率并提升了系统性能

总结

本文介绍了.NET垃圾回收中两个相关的方法：Dispose和Finalize。Finalize的目的是用于释放非托管的资源，而Dispose是用于释放所有资源，包括托管的和非托管的。

Dispose需要在代码中进行显示的调用，而Finalize则是由垃圾回收自动调用，为了更有效的结合Dispose和Finalize，文中还介绍了MSDN中给出的实现IDisposable接口的一个模式。