有了 GC 還會不會發生記憶體洩漏？

Taney發表於2016-05-10
GC記憶體

問題的發現

這個問題是我在寫C++時考慮到的，C++需要手動管理記憶體，雖然現在標準庫中提供了一些智慧指標，可以實現基於引用計數的自動記憶體管理，但現實環境是很複雜的，我們仍要注意迴圈引用的問題。還有一個容易被忽視的問題就是物件間關係的“佔有”和“非佔有”，這個問題其實在具有GC的C#和Java中也一樣存在。

目前.NET和Java的GC策略都屬於Tracing garbage collection，基本原理是從一系列的root開始，沿著引用鏈進行遍歷，對遍歷過的物件進行標記（mark），表示其“可達（reachable）”，然後回收那些沒有標記的，即“不可達”物件所佔用的記憶體。如果你的程式碼中明明有的物件已經沒用了，但在某些地方仍然保持有對它的引用，就會造成這個物件長期處於“可達”狀態，以至其佔用的記憶體無法被及時回收。

物件關係的問題

佔有 與 非佔有

好吧，這兩個詞是我自己發明的。這兩個詞是針對“擁有”而言的，佔有 是表示強的擁有，宿主物件會影響被擁有物件的生命週期，宿主物件不死，被擁有的物件就不會死；非佔有 表示弱的擁有，宿主物件不影響被擁有物件的生命週期。

在處理物件間關係時，如果應該是非佔有關係，但卻實現成了佔有關係，則佔有關係就會妨礙GC對被佔有物件的回收，輕則造成記憶體回收的不及時，重則造成記憶體無法被回收。這裡我用C#實現觀察者模式作為示例：

public interface IPublisher
{
    void Subscribe(ISubscriber sub);
    void UnSubscribe(ISubscriber sub);
    void Notify();
}

public interface ISubscriber
{
    void OnNotify();
}

public class Subscriber : ISubscriber
{
    public String Name { get; set; }
    public void OnNotify()
    {
        Console.WriteLine($"{this.Name} 收到通知");
    }
}

public class Publisher : IPublisher
{
    private List<ISubscriber> _subscribers = new List<ISubscriber>();

    public void Notify()
    {
        foreach (var s in this._subscribers)
            s.OnNotify();
    }

    public void Subscribe(ISubscriber sub)
    {
        this._subscribers.Add(sub);
    }

    public void UnSubscribe(ISubscriber sub)
    {
        this._subscribers.Remove(sub);
    }
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        IPublisher pub = new Publisher();
        AttachSubscribers(pub);
        pub.Notify();

        GC.Collect();
        Console.WriteLine("垃圾回收結束");

        pub.Notify();

        Console.ReadKey();
    }

    static void AttachSubscribers(IPublisher pub)
    {
        var sub1 = new Subscriber { Name = "訂閱者 甲" };
        var sub2 = new Subscriber { Name = "訂閱者 乙" };
        pub.Subscribe(sub1);
        pub.Subscribe(sub2);
        // 這裡其實賦不賦null都一樣，只是為了突出效果
        sub1 = null;
        sub2 = null;
    }
}

這段程式碼有什麼問題嗎？

在AttachSubscribers方法裡，建立了兩個訂閱者，並進行了訂閱，這裡的兩個訂閱者都是在區域性建立的，也並沒有打算在外部引用它們，它們應該在不久的某個時刻被回收了，但是由於同時它們又存在於釋出者的訂閱者列表裡，釋出者“佔有”了訂閱者，雖然它們都沒用了，但暫時不會被銷燬，如果釋出者一直活著，則這些沒用的訂閱者也一直得不到回收，那為什麼不呼叫UnSubscribe呢？因為在實際中情況可能很複雜，有些時候UnSubscribe呼叫的時機會很難確定，而且釋出者的任務在於登記和通知訂閱者，不應該因此而“佔有”它們，不應干涉它們的死活，所以對於這種情況，可以使用“弱引用”實現“非佔用”。

弱引用

弱引用是一種包裝型別，用於間接訪問被包裝的物件，而又不會產生對此物件的實際引用。所以就不會妨礙被包裝的物件的回收。

給上面的例子加入弱引用：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        IPublisher pub = new Publisher();
        AttachSubscribers(pub);
        pub.Notify();

        GC.Collect();
        Console.WriteLine("垃圾回收結束");

        pub.Notify();

        Console.WriteLine("=============================================");

        pub = new WeakPublisher();
        AttachSubscribers(pub);
        pub.Notify();

        GC.Collect();
        Console.WriteLine("垃圾回收結束");

        pub.Notify();

        Console.ReadKey();
    }

    static void AttachSubscribers(IPublisher pub)
    {
        var sub1 = new Subscriber { Name = "訂閱者 甲" };
        var sub2 = new Subscriber { Name = "訂閱者 乙" };
        pub.Subscribe(sub1);
        pub.Subscribe(sub2);
        // 這裡其實賦不賦null都一樣，只是為了突出效果
        sub1 = null;
        sub2 = null;
    }
}

public interface IPublisher
{
    void Subscribe(ISubscriber sub);
    void UnSubscribe(ISubscriber sub);
    void Notify();
}

public interface ISubscriber
{
    void OnNotify();
}

public class Subscriber : ISubscriber
{
    public String Name { get; set; }
    public void OnNotify()
    {
        Console.WriteLine($"{this.Name} 收到通知");
    }
}

public class Publisher : IPublisher
{
    private List<ISubscriber> _subscribers = new List<ISubscriber>();

    public void Notify()
    {
        foreach (var s in this._subscribers)
            s.OnNotify();
    }

    public void Subscribe(ISubscriber sub)
    {
        this._subscribers.Add(sub);
    }

    public void UnSubscribe(ISubscriber sub)
    {
        this._subscribers.Remove(sub);
    }
}

public class WeakPublisher : IPublisher
{
    private List<WeakReference<ISubscriber>> _subscribers = new List<WeakReference<ISubscriber>>();

    public void Notify()
    {
        for (var i = 0; i < this._subscribers.Count();)
        {
            ISubscriber s;
            if (this._subscribers[i].TryGetTarget(out s))
            {
                s.OnNotify();
                ++i;
            }
            else
                this._subscribers.RemoveAt(i);
        }
    }

    public void Subscribe(ISubscriber sub)
    {
        this._subscribers.Add(new WeakReference<ISubscriber>(sub));
    }

    public void UnSubscribe(ISubscriber sub)
    {
        for (var i = 0; i < this._subscribers.Count(); ++i)
        {
            ISubscriber s;
            if (this._subscribers[i].TryGetTarget(out s) && Object.ReferenceEquals(s, sub))
            {
                this._subscribers.RemoveAt(i);
                return;
            }
        }
    }
}

其實弱引用也不是完美的解決方案，因為限制了API使用者的自由，當然這裡也沒打算實現一個通用的、完美的解決辦法，只是想通過個例子讓你知道，即使是在有GC的情況下，不注意程式碼設計的話，仍有可能會發生記憶體洩漏的問題。

非託管資源

GC不能釋放非託管資源嗎？

GC的作用在於清理託管物件，託管物件是可以定義析構方法（準確點說應該叫finalizer，C#中的~類名，Java中的finalize）的，這個方法會在託管物件被GC回收前被呼叫，析構方法裡完全可以釋放非託管資源（實際上很多託管物件的實現也都這麼做了），也就是說GC是可以釋放非託管資源的。

但是GC的執行時間是不確定的，現在計算機的記憶體也都足夠大，記憶體遲點回收不會有什麼問題，但託管物件內部包裝的其它資源可能屬於“緊張的資源”，比如非託管記憶體、檔案控制程式碼、socket連線，這些資源是必須要被及時回收的，比如檔案控制程式碼不及時釋放會導致該檔案一直被佔用，影響其它程式對該檔案的讀寫、socket連線不及時釋放會導致埠號一直被佔用，那如何保證釋放的及時呢？

Dispose模式

方法很簡單，就是在物件中用一個方法來專門釋放這些非託管資源，比如叫close, dispose, free, release之類的，然後顯式呼叫這些方法。C#中的IDisposable介面和Java中的Closeable介面就是這個作用，因為大多數帶GC的語言都使用這種設計，所以這也算是一種模式。

虛擬碼示例：

File f = new File("data.txt");
f.writeBytes((new String("Hello, world!")).getBytes("ascii"));
f.close();

這樣就夠了嗎？如果close前發生異常或直接return了怎麼辦？ – finally語句塊

finally語句塊保證了其中的語句一定會被執行，配合close方法，就能確保非託管資源的及時釋放。（注：不呼叫close其實一般來講非託管資源也是會被釋放的，只是這種釋放不夠“及時”，因為要等到託管物件被回收）

C++中沒有finally語句結構，這並不奇怪，因為C++有RAII機制，物件的銷燬是確定的，而且確保解構函式的呼叫，所以不需要finally這種語法。

結語

其實以上所列舉的種種情況，大多數情況資源最終都會得到回收，只是回收不夠及時，但這種回收不及時在資源緊張或出現極端情況時，還是有可能會發生記憶體洩漏的，所以說不是有了GC就可以高枕無憂了。

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