一张图带你了解.NET终结(Finalize)流程

简介

"终结"一般被分为确定性终结(显示清除)与非确定性终结(隐式清除)

1. 确定性终结主要
   提供给开发人员一个显式清理的方法，比如try-finally,using。
2. 非确定性终结主要
   提供一个注册的入口，只知道会执行，但不清楚什么时候执行。比如IDisposable,析构函数。

为什么需要终结机制？

首先纠正一个观念，终结机制不等于垃圾回收。它只是代表当某个对象不再需要时，我们顺带要执行一些操作。更加像是附加了一种event事件。
所以网络上有一种说法，IDisposable是为了释放内存。这个观念并不准确。应该形容为一种兜底更为贴切。
如果是一个完全使用托管代码的场景，整个对象图由GC管理，那确实不需要。在托管环境中，终结机制主要用于处理对象所持有的，不被GC和runtime管理的资源。
比如HttpClient，如果没有终结机制，那么当对象被释放时，GC并不知道该对象持有了非托管资源(句柄)，导致底层了socket连接永远不会被释放。

如前所述，终结器不一定非得跟非托管资源相关。它的本质是”对象不可到达后的do something“.
比如你想收集对象的创建与删除，可以将记录代码写在构造函数与终结器中

终结机制的源码

源码

namespace Example_12_1_3
{
    internal class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            TestFinalize();

            Console.WriteLine("GC is start. ");
            GC.Collect();
            Console.WriteLine("GC is end. ");
            Debugger.Break();

            Console.ReadLine();
            Console.WriteLine("GC2 is start. ");
            GC.Collect();
            Console.WriteLine("GC2 is end. ");
            Debugger.Break();
            Console.ReadLine();

        }
        static void TestFinalize()
        {
            var list = new List(1000);
            for (int i = 0; i < 1000; i++)
            {
                list.Add(new Person());
            }

            var personNoFinalize = new Person2();
            Console.WriteLine("person/personNoFinalize分配完成");

            Debugger.Break();
        }
    }
    public class Person
    {
        ~Person()
        {
            Console.WriteLine("this is finalize");
            Thread.Sleep(1000);
        }
    }
    public class Person2
    {

    }
}

IL

	// Methods
	.method family hidebysig virtual 
		instance void Finalize () cil managed 
	{
		.override method instance void [mscorlib]System.Object::Finalize()
		// Method begins at RVA 0x2090
		// Header size: 12
		// Code size: 30 (0x1e)
		.maxstack 1

		IL_0000: nop
		.try
		{
			// {
			IL_0001: nop
			// Console.WriteLine("this is finalize");
			IL_0002: ldstr "this is finalize"
			IL_0007: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
			// Console.ReadLine();
			IL_000c: nop
			IL_000d: call string [mscorlib]System.Console::ReadLine()
			IL_0012: pop
			// }
			IL_0013: leave.s IL_001d
		} // end .try
		finally
		{
			// (no C# code)
			IL_0015: ldarg.0
			IL_0016: call instance void [mscorlib]System.Object::Finalize()
			IL_001b: nop
			IL_001c: endfinally
		} // end handler

		IL_001d: ret
	} // end of method Person::Finalize

汇编

0199097B  nop  
0199097C  mov         ecx,dword ptr ds:[4402430h]  
01990982  call        System.Console.WriteLine(System.String) (72CB2FA8h)  
01990987  nop  
01990988  call        System.Console.ReadLine() (733BD9C0h)  
0199098D  mov         dword ptr [ebp-40h],eax  
01990990  nop  
01990991  nop  
01990992  mov         dword ptr [ebp-20h],offset Example_12_1_3.Person.Finalize()+045h (00h)  
01990999  mov         dword ptr [ebp-1Ch],0FCh  
019909A0  push        offset Example_12_1_3.Person.Finalize()+06Ch (019909BCh)  
019909A5  jmp         Example_12_1_3.Person.Finalize()+057h (019909A7h)  

可以看到，C#的析构函数只是一种语法糖。IL重写了System.Object.Finalize方法。在底层的汇编中，直接调用的就是Finalize()

终结的流程

补充一个细节，实际上f-reachable queue 内部还分为Critical/Normal两个区间，其区别在于是否继承自CriticalFinalizerObject。
目的是为了保证，即使在AppDomain或线程被强行中断的情况下，也一定会执行。
一般也很少直接继承CriticalFinalizerObject,更常见是选择继承SafeHandle.
不过在.net core中区别不大，因为.net core不支持终止线程，也不支持卸载AppDomain。

眼见为实

使用windbg看一下底层。
1. 创建Person对象，是否自动进入finalize queue?

可以看到，当new obj 时，finalize queue中已经有了Person对象的析构函数

2. GC开始后，是否移动到F-Reachable queue?

可以看到代码中创建的1000个Person的析构函数已经进入了F-Reachable queue

sosex !finq/!frq 指令同样可以输出

3. 析构对象是否被"复活"？
GC发生前，在TestFinalize方法中创建了两个变量，person=0x02a724c0，personNoFinalize=0x02a724cc。


可以看到所属代都为0,且托管堆中都能找到它们。

GC发生后



可以看到，Person2对象因为被回收而在托管堆中找不到了，Person对象因为还未执行析构函数，所以还存在gcroot 。因此并未被回收，且内存代从0代提升到1代

4. 终结线程是否执行，是否被移出F-Reachable queue


在GC将托管线程从挂起到恢复正常后，且F-Reachable queue 有值时，终结线程将乱序执行。
并将它们移出队列

5. 析构函数的对象是否在第二次GC中释放？
等到第二次GC发生后，由于对象析构函数已经被执行，不再拥有gcroot，所以托管堆最终释放了该对象，

6. 析构函数如果没有及时执行完成，又触发了一次GC。会不会再次升代？

答案是肯定的

Finaze Queue/F-Reachable Queue 底层结构

眼见为实

每个不同的代，维护在不同的内存地址中，但彼此之间的内存地址又紧密联系在一起。

与GC代优点细微区别的是，没有LOH概念，大对象分配在0代中。Person3对象是一个 new byte[8500000]。 其他行为与GC代保持一致

终结的开销

1. 如果一个类型具有终结器，将使用慢速分支执行分配操作
   且在分配时还需要额外进入finalize queue而引入的额外开销
2. 终结器对象至少要经历2次GC才能够被真正释放
   至少两次，可能更多。终结线程不一定能在两次GC之间处理完所有析构函数。此时对象从1代升级到2代，2代对象触发GC的频率更低。导致对象不能及时被释放(析构函数已经执行完毕，但是对象本身等了很久才被释放)。
3. 对象升代/降代时，finalize queue也要重复调整
   与GC分代一样，也分为3个代和LOH。当一个对象在GC代中移动时，对象地址也需要也需要在finalization queue移动到对应的代中.
   由于finalize queue与f-reachable queue 底层由同一个数组管理，且元素之间并没有留空。所以升代/降代时，与GC代不同，GC代可以见缝插针的安置对象，而finalize则是在对应的代末尾插入，并将后面所有对象右移一个位置

眼见为实

点击查看代码

    public class BenchmarkTester
    {
        [Benchmark]
        public void ConsumeNonFinalizeClass()
        {
            for (int i = 0; i < 1000; i++)
            {
                var obj = new NonFinalizeClass();
                obj.Age = i;

            }
        }
        [Benchmark]
        public void ConsumeFinalizeClass()
        {
            for (int i = 0; i < 1000; i++)
            {
                var obj = new FinalizeClass();
                obj.Age = i;

            }
        }
    }

非常明显的差距，无需解释。

总结

使用终结器是比较棘手且不完全可靠。因此最好避免使用它。只有当开发人员没有其他办法(IDisposable)来释放资源时，才应该把终结器作为最后的兜底。