冉彥中，張智剛，曹婧華，楊可揚(yáng)

(1.吉林大學(xué)和平校區(qū)計(jì)算機(jī)教研室，吉林長(zhǎng)春 130062;2.吉林大學(xué)農(nóng)學(xué)部圖書館，吉林長(zhǎng)春 130062)

在進(jìn)行Microsoft Visual Studio C#程序設(shè)計(jì)教學(xué)過程中，學(xué)生對(duì)垃圾回收器的垃圾回收工作機(jī)制［1－2］原理難于理解。為此，筆者用C#編程對(duì)數(shù)字型和字符型對(duì)象何時(shí)成為垃圾，第0代對(duì)象滿256k時(shí)啟動(dòng)垃圾回收器進(jìn)行垃圾回收以及完整的第0、1、2代對(duì)象回收工作的模擬演示3個(gè)實(shí)驗(yàn)，便于學(xué)生理解其內(nèi)容。

1 整數(shù)類型對(duì)象與引用類型對(duì)象在內(nèi)存中的生成期實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)窗體設(shè)計(jì)

在Form 窗體上放Button和RichTextBox 兩個(gè)控件對(duì)象(圖1)，Button1為單擊確定按鈕事件，在RichText-Box1中輸出如圖1 一行字，用代碼編程實(shí)現(xiàn)。

圖1 對(duì)象生成期實(shí)驗(yàn)圖

在.net中對(duì)象是創(chuàng)建在托管堆之上的，以前使用的編程語言創(chuàng)建對(duì)象是在非托管堆中的，故編程人員往往忘掉了釋放無用的內(nèi)存或再試圖訪問已經(jīng)被釋放的內(nèi)存，對(duì)于非托管編程來說因?yàn)檫@兩類應(yīng)用程序發(fā)生的時(shí)間和次序都難于預(yù)測(cè)，帶來的危害超過了其它大多數(shù)的bug，其應(yīng)用程序的執(zhí)行結(jié)果變得不可預(yù)測(cè)，在.net中托管堆編程中［3－5］，回收內(nèi)存的工作由垃圾回收機(jī)制解決。對(duì)于垃圾回收機(jī)制，首先要了解對(duì)象的生成期，也就是對(duì)象什么時(shí)候變成垃圾，如圖2。

1.2 代碼實(shí)現(xiàn)

圖2 對(duì)象生成期代碼斷點(diǎn)調(diào)試圖

在int k=10 處設(shè)斷點(diǎn)演示對(duì)象的生存期(圖2)，在程序開始運(yùn)行的時(shí)候，RichTextBox類，button類等創(chuàng)建、運(yùn)行程序，在托管堆有Mainform類以及成員int tempint，string temps 以及兩個(gè)控件RichTextBox1，Button1對(duì)象。單擊按鈕，創(chuàng)建一個(gè)整數(shù)類型k，并把它初值設(shè)為10，但它是在堆棧中創(chuàng)建的，被彈出堆棧就沒有用了，按F11 單步執(zhí)行，創(chuàng)建一個(gè)字符串s，它是一個(gè)引用類型變量，它在托管堆中創(chuàng)建，整數(shù)類型是一個(gè)值類型對(duì)象，它是在堆棧中創(chuàng)建，按F11 創(chuàng)建一個(gè)i，但它是在堆棧中創(chuàng)建的，執(zhí)行完循環(huán)以后，i 就自動(dòng)消失了，因?yàn)樵僖膊粫?huì)使用它了，執(zhí)行完button 后引用類型s 變?yōu)槔驗(yàn)樗粫?huì)再被使用到，因此變?yōu)橥泄芏阎械睦?，它要等待垃圾回收器在某個(gè)特定時(shí)間里進(jìn)行回收。當(dāng)關(guān)閉窗體后，以上一些類都會(huì)成為垃圾，等待被釋放。

2 0代對(duì)象充滿256k時(shí)執(zhí)行垃圾回收器實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)從控制臺(tái)取字符串，每取一字符串就創(chuàng)建構(gòu)造函數(shù)［6－9］public A()

2.2 代碼執(zhí)行

圖3 構(gòu)造函數(shù)析構(gòu)函數(shù)運(yùn)行圖

如圖3，類A 對(duì)象創(chuàng)建完就成為垃圾，再通過一循環(huán)創(chuàng)建一字符數(shù)組，創(chuàng)建長(zhǎng)度為1000 的字節(jié)數(shù)組，也就是這個(gè)字節(jié)數(shù)組會(huì)占用1k 的空間，第0代對(duì)象為250k，每從屏幕取字符，讓它占用50k 空間，回車5 次占用250 空間，此時(shí)進(jìn)行垃圾回收，釋放前面5個(gè)對(duì)象，從而證實(shí)了第0代對(duì)象為256k 的內(nèi)存空間。

3 垃圾回收機(jī)制0、1、2代模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

創(chuàng)建一個(gè)新對(duì)象時(shí)，若對(duì)象的類型定義了Finalize()方法，那么指向該對(duì)象的指針將被放到終結(jié)鏈表中。終結(jié)鏈表上的每一個(gè)條目都引用著一個(gè)對(duì)象，指示Garbage Collector［10－12］在回收這些對(duì)象之前調(diào)用它們的Finalize()方法，其過程如下。

(1)自創(chuàng)建一個(gè)類，并以該對(duì)象來進(jìn)行操作，然后對(duì)該類對(duì)象集合實(shí)現(xiàn)遍歷以及索引，其次是該對(duì)象集合的管理類，負(fù)責(zé)所有對(duì)象的ItemCollection，以及0，1，2代對(duì)象集合，以及終結(jié)鏈表，終結(jié)可達(dá)隊(duì)列。

(2)初始化一個(gè)屬性值為隨機(jī)值的DataObject 對(duì)象。

(3)判斷托管堆0代內(nèi)存是否充足，判斷過程:

(4)0，1，2代的比較判斷與操作

托管堆0代對(duì)象的主要操作。

3.2 代碼運(yùn)行

圖4 垃圾回收驗(yàn)機(jī)制證實(shí)驗(yàn)圖

當(dāng)一直添加對(duì)象時(shí)，執(zhí)行情況如圖4所示，當(dāng)托管堆0代對(duì)象內(nèi)存容量256k 不足時(shí)，會(huì)觸發(fā)垃圾器收集;其中先清理可達(dá)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)對(duì)象(含有Finalize()終結(jié)方法并且無根，一般情況為在第1 次收集時(shí)將終結(jié)鏈表中的指針移動(dòng)至終結(jié)可達(dá)隊(duì)列中，這樣可達(dá)隊(duì)列中才有指針。第2 次收集就會(huì)將可達(dá)隊(duì)列中的指針清理)，將終結(jié)鏈表的數(shù)據(jù)移動(dòng)到可達(dá)隊(duì)列后，然后再移除終結(jié)鏈表包含的可達(dá)隊(duì)列的指針。

托管堆1代對(duì)象的操作。繼續(xù)創(chuàng)建新的對(duì)象，在托管堆1代中存在，一直增加，當(dāng)托管堆0代對(duì)象內(nèi)存不足，并且托管堆1代對(duì)象內(nèi)存也不足時(shí)，將導(dǎo)致1代對(duì)象的代+1;其中也包括1代對(duì)象的清理工作。

托管堆2代對(duì)象的操作。托管堆2代對(duì)象內(nèi)存滿了，清理托管堆2代無根對(duì)象，托管堆1代對(duì)象，對(duì)象代+1;托管堆對(duì)象全部清理，當(dāng)托管堆對(duì)象2代滿了時(shí)會(huì)自動(dòng)清理0，1，2代的垃圾。

4 結(jié)語

首次初始化添加對(duì)象為0代對(duì)象，當(dāng)托管堆中0代放滿時(shí)，若有新對(duì)象加入則垃圾回收器把0代中沒有使用的對(duì)象回收，把0代的對(duì)象挪到1代中，再把新對(duì)象添加托管堆的0代中。若0代放滿而1代沒放滿，回收器只把0代中不再使用的對(duì)象回收，而1代中的不變，之后再把0代挪入1代，把新對(duì)象添加到0代，當(dāng)?shù)?代也放滿時(shí)，若再有新對(duì)象加入，垃圾回收器把0代和1代中沒有使用的對(duì)象回收，再把0代的對(duì)象挪到1代中，1代的對(duì)象挪到2代中，之后再把新對(duì)象添加托管堆的0代中。由此看出，一般第0代對(duì)象回收頻率是最高的，效率也是最高的。

［1］Microsoft Visual C#2008 help［Z］.2008.

［2］美國(guó)微軟公司Visual C#2005 軟件的幫助信息［Z］.2005.

［3］葉傳華.基于C#.NET 的通用數(shù)據(jù)訪問接口的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2010(10).

［4］郭勝等.C#.NET 程序設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［5］［美］微軟公司.Visual C#.NET 語言參考手冊(cè)［M］.熊盛新，許志慶，李欽，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［6］韓彩云，白尚旺，黨偉超，等.基于C#.NET 的系統(tǒng)通用菜單的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.艦船電子工程，2008(11).

［7］賈曉飛.基于.NET 教師檔案管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2010.

［8］陳巍.基于.NET 大學(xué)生住宿管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2011.

［9］李文超.基于.NET 框架的政府文檔信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2011.

［10］吳茂昌.基于.NET 平臺(tái)分層架構(gòu)的研究［D］.武漢:武漢科技大學(xué)，2010.

［11］劉甫迎，劉光會(huì)，王蓉.C#程序設(shè)計(jì)教程［M］.2 版.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［12］施燕妹，陳培，陳發(fā)吉.C#語言程序設(shè)計(jì)教程［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.