16 内存管理与垃圾回收基础

在 C# 的程序设计中，内存管理是一个非常重要的方面。随着应用程序的复杂度不断增加，合理的内存使用和管理变得尤为关键。在上一节中，我们探讨了反射和自定义特性的创建与使用，而现在，我们将深入了解 C# 中的内存管理基础，以及为什么它对我们编写高效和稳定的代码至关重要。

什么是内存管理？

内存管理指的是程序分配、使用和释放内存资源的过程。在 C# 这种高级语言中，内存管理主要是通过垃圾回收 (Garbage Collection, GC) 机制自动处理的，但理解其基础原理仍然是很重要的。

在 C# 中，内存主要分为两种：堆（Heap）和栈（Stack）。

• 栈：用于存储局部变量和方法调用信息。当方法调用结束，栈上的内存被自动释放。
• 堆：用于存储动态分配的对象。堆上的内存需要通过垃圾回收机制来管理。

栈与堆的区别

栈	堆
存储局部变量和方法调用信息	存储动态分配的对象
速度较快	速度较慢
自动管理	自动和手动结合管理
先进后出 (LIFO)	无结构

内存中的对象

在 C# 中，所有对象都是从堆中分配内存的。例如，考虑以下简单的类实现：

public class Person
{
    public string Name { get; set; }

    public Person(string name)
    {
        Name = name;
    }
}

当你创建一个 Person 对象时，内存是从堆中动态分配的：

Person person = new Person("Alice");

在上述代码中，person 变量在栈上存储了对堆中 Person 对象的引用。

引用类型与值类型

C# 有两种主要的数据类型：值类型和引用类型。

• 值类型：如 int、double、struct，它们的值直接存储在栈上。
• 引用类型：如 class、string、array，它们存储引用，实际数据存储在堆上。

值类型与引用类型的区别

值类型	引用类型
存储实际数据	存储数据的引用
存储在栈上	存储在堆上
当复制时，复制的是值	当复制时，复制的是引用

以下示例展示了值类型和引用类型的复制行为：

int a = 10; // 值类型
int b = a;  // b 复制 a 的值
b = 20;     // a 不受影响，a 仍为 10

Person person1 = new Person("Alice");
Person person2 = person1; // 引用类型
person2.Name = "Bob";     // person1 的 Name 也变为 "Bob"

垃圾回收的基础概念

C# 使用垃圾回收器来自动管理内存。垃圾回收器会定期检查不再被任何引用使用的对象，并将其内存回收。垃圾回收的过程主要包括以下几个步骤：

1. 标记：识别那些不再被引用的对象。
2. 清理：释放这些对象所占用的内存。
3. 压缩：将存活的对象移动，以便释放出一块连续的内存空间。

垃圾回收的触发

垃圾回收并不是在某个具体的时间点触发的，而是根据内存使用情况自动执行。常见的触发条件包括：

• 申请内存时未能获取到足够的空间。
• 系统空闲时，垃圾回收器可能会主动运行。
• 调用 GC.Collect() 显式请求垃圾回收。

小心内存泄漏

尽管 C# 提供了垃圾回收机制，但我们仍然需要小心内存泄漏。内存泄漏通常发生在我们有长生命周期的对象持有对短生命周期对象的引用时。例如，事件订阅未被正确注销，导致某些对象无法被垃圾回收供释放。

以下是一个简单的例子，展示了如何导致内存泄漏：

public class Publisher
{
    public event EventHandler OnChange;

    public void RaiseEvent()
    {
        OnChange?.Invoke(this, EventArgs.Empty);
    }
}

public class Subscriber
{
    public void Subscribe(Publisher publisher)
    {
        publisher.OnChange += Publisher_OnChange;
    }

    private void Publisher_OnChange(object sender, EventArgs e)
    {
        // 处理事件
    }
}

在这个例子中，如果 Subscriber 没有取消订阅 Publisher 的事件，即使 Subscriber 对象不再被使用，也无法被垃圾回收，从而造成内存泄漏。

结论

内存管理是开发高性能 C# 应用程序的一个至关重要的部分。了解堆与栈、值类型与引用类型的区别，以及垃圾回收的基础知识，能够帮助我们编写更有效的代码。遵循良好的内存管理实践，例如及时注销事件订阅和避免不必要的引用，可以有效降低内存泄漏的风险。

在下一节中，我们将深入探讨垃圾回收机制，了解它是如何工作的，以及我们在使用时可以采取的优化策略。