.NET Framework GC.Keep Alive方法的實現原理分析

楊存偉

（西南大學 計算機科學與技術系，重慶 402460）

在.NET中，內存資源分為托管資源和非托管資源，其中托管資源指的是.NET 可以自動進行回收的資源，主要是指托管堆上分配的內存資源[1]。GC 類中包含了垃圾回收相關的方法，其中GC.KeepAlive 是其中一個較為特別的方法，它利用編譯器和運行時的特性，阻止對象過早被回收。

1 GC.KeepAlive 的使用場景

示例1

在類Value中，實現了IDisposable中的Dispose方法，在類OuterClass 中，析構方法調用類成員i 的Dispose 方法來釋放資源。

在Main 函數中，生成了一個Outerclass 的對象，變量名為outer，并將outer.i 作為參數傳遞給Do函數。outer.i 作為參數傳入之后，不存在對Outerclass 的對象的使用，因此垃圾回收器認為該對象已經無用，而outer.i 是有效的。從這時起到程序運行結束的任何時刻，垃圾回收器都有可能執行一次回收（回收Outerclass 的對象）。在垃圾回收器調用outer 的析構方法后，outer.i 已經執行了Dispose 方法，從而Do 函數中對outer.i 的操作可能是無效的，造成程序出錯（圖1）。

圖1 不調用GC.KeepAlive 方法時程序的執行流程

若在Do(outer.i)后添加“GC.KeepAlive(outer)”，則Do 方法調用之后依然有對outer 的使用，保證了在調用Do 方法的時候，OuterClass 的對象不會被垃圾回收器回收（圖2）[2]。

圖2 調用GC.KeepAlive 方法時程序的執行流程

2 實現原理

Microsoft 對該方法的官方實現為：

2.1 屬性(Attribute)的使用

屬性（Attribute）是用于在運行時傳遞程序中各種元素（類、結構體、方法等）的行為信息的聲明性質的標簽，它添加元數據，如編譯器指令和注釋、描述、方法、類等其他信息。

.NET 提供了兩種類型的特性：預定義特性和自定義特性。MethodImplAttribute 和Reliability-Contract 都屬于預定義特性[3]。

2.2 MethodImplAttribute 的使用

MethodImplAttribute 屬性指定了一個方法是怎樣編譯和執行的。

ImplOptions.NoInlining 指定了該方法不應該被內聯，由于GC.KeepAlive 并沒有對傳入的對象進行任何操作（也不應該進行任何操作），假如將其內聯，將不能保證在調用該方法之前傳入的對象不被垃圾回收。

ReliabilityContract 屬性與實現原理無關，與安全性和可靠性有關，因此不做解析。

2.3 在調用GC.KeepAlive 之前對象不被回收的原因分析

.NET 的垃圾回收器使用一種引用跟蹤算法。在垃圾回收時，暫停所有線程，遍歷所有堆內存中存在的對象，若引用類型變量引用了某個對象，該對象的同步索引字段將被置為1，否則為0。完成遍歷后，同步索引字段為0 的對象是可以被回收的（不一定會被回收）[4]。

在示例1 中，outer.i 作為參數傳入后，假設垃圾回收器開始回收，將發現OuterClass 的對象的同步索引塊標記為0，這意味著沒有變量繼續引用OuterClass 的對象，則其可以回收。

若加上“GC.KeepAlive(outer)”，則outer.i 作為參數傳入后，假如垃圾回收器開始回收，發現在Main 函數中還有待調用的GC.KeepAlive 方法使用了OuterClass 的對象，因此在調用GC.KeepAlive 之前，同步索引塊都為1，即該對象都必須存在，不應該被回收。假設將“GC.KeepAlive(outer)”替換成“var str=outer.ToString ()” 等語句（只要使用了OuterClass 的對象），和調用GC.KeepAlive 方法的作用是一樣的，只是該方法不產生任何副作用。

3.NET 源碼中對該方法運用的示例分析

3.1 GC.GetGeneration 方法的實現

示例2：

.NET 的垃圾回收器查找未被引用的對象時，使用可達性分析算法[5]，WeakReference 引用變量不會存在于GCRoots 開始的引用鏈中。若在調用GetGenerationWR 方法之后不調用KeepAlive 方法，不能保證wo 所指向的對象一定是存在的，造成調用失敗。

3.2 X509Utils.GetCertContext 方法的實現

示例3：

在將certificate.Handle 作為參數傳入CertDuplicateCertificateContext 方法后，若沒有GC.KeepAlive 方法，將導致certificate 隨時被垃圾回收，導致certificate.Handle 失效。

3.3 RuntimeHelpers.PrepareMethod 方法的實現

示例4：

PrepareMethod 方法是對外部函數_PrepareMethod 的一層包裝，在CopyRuntimeTypeHandles 方法使用instantiation 作為參數后，instantiationHandles 的有效性依然依賴于instantiation，故在_PrepareMethod 函數后調用GC.KeepAlive 方法來保證instantiation 在PrepareMethod 函數返回前都是有效的。

4 結語

GC.KeepAlive 的實現并未調用.NET 中的內部類和方法，也未調用Win32 的API，其實質是運用了編譯器和運行時的特性，保證了對象不被過早回收，其實現十分簡潔。在實際運用中準確運用此方法，提高了程序的安全性和穩定性。