.NET Framework GC.Keep Alive方法的实现原理分析

杨存伟

（西南大学 计算机科学与技术系，重庆 402460）

在.NET中，内存资源分为托管资源和非托管资源，其中托管资源指的是.NET 可以自动进行回收的资源，主要是指托管堆上分配的内存资源[1]。GC 类中包含了垃圾回收相关的方法，其中GC.KeepAlive 是其中一个较为特别的方法，它利用编译器和运行时的特性，阻止对象过早被回收。

1 GC.KeepAlive 的使用场景

示例1

在类Value中，实现了IDisposable中的Dispose方法，在类OuterClass 中，析构方法调用类成员i 的Dispose 方法来释放资源。

在Main 函数中，生成了一个Outerclass 的对象，变量名为outer，并将outer.i 作为参数传递给Do函数。outer.i 作为参数传入之后，不存在对Outerclass 的对象的使用，因此垃圾回收器认为该对象已经无用，而outer.i 是有效的。从这时起到程序运行结束的任何时刻，垃圾回收器都有可能执行一次回收（回收Outerclass 的对象）。在垃圾回收器调用outer 的析构方法后，outer.i 已经执行了Dispose 方法，从而Do 函数中对outer.i 的操作可能是无效的，造成程序出错（图1）。

图1 不调用GC.KeepAlive 方法时程序的执行流程

若在Do(outer.i)后添加“GC.KeepAlive(outer)”，则Do 方法调用之后依然有对outer 的使用，保证了在调用Do 方法的时候，OuterClass 的对象不会被垃圾回收器回收（图2）[2]。

图2 调用GC.KeepAlive 方法时程序的执行流程

2 实现原理

Microsoft 对该方法的官方实现为：

2.1 属性(Attribute)的使用

属性（Attribute）是用于在运行时传递程序中各种元素（类、结构体、方法等）的行为信息的声明性质的标签，它添加元数据，如编译器指令和注释、描述、方法、类等其他信息。

.NET 提供了两种类型的特性：预定义特性和自定义特性。MethodImplAttribute 和Reliability-Contract 都属于预定义特性[3]。

2.2 MethodImplAttribute 的使用

MethodImplAttribute 属性指定了一个方法是怎样编译和执行的。

ImplOptions.NoInlining 指定了该方法不应该被内联，由于GC.KeepAlive 并没有对传入的对象进行任何操作（也不应该进行任何操作），假如将其内联，将不能保证在调用该方法之前传入的对象不被垃圾回收。

ReliabilityContract 属性与实现原理无关，与安全性和可靠性有关，因此不做解析。

2.3 在调用GC.KeepAlive 之前对象不被回收的原因分析

.NET 的垃圾回收器使用一种引用跟踪算法。在垃圾回收时，暂停所有线程，遍历所有堆内存中存在的对象，若引用类型变量引用了某个对象，该对象的同步索引字段将被置为1，否则为0。完成遍历后，同步索引字段为0 的对象是可以被回收的（不一定会被回收）[4]。

在示例1 中，outer.i 作为参数传入后，假设垃圾回收器开始回收，将发现OuterClass 的对象的同步索引块标记为0，这意味着没有变量继续引用OuterClass 的对象，则其可以回收。

若加上“GC.KeepAlive(outer)”，则outer.i 作为参数传入后，假如垃圾回收器开始回收，发现在Main 函数中还有待调用的GC.KeepAlive 方法使用了OuterClass 的对象，因此在调用GC.KeepAlive 之前，同步索引块都为1，即该对象都必须存在，不应该被回收。假设将“GC.KeepAlive(outer)”替换成“var str=outer.ToString ()” 等语句（只要使用了OuterClass 的对象），和调用GC.KeepAlive 方法的作用是一样的，只是该方法不产生任何副作用。

3.NET 源码中对该方法运用的示例分析

3.1 GC.GetGeneration 方法的实现

示例2：

.NET 的垃圾回收器查找未被引用的对象时，使用可达性分析算法[5]，WeakReference 引用变量不会存在于GCRoots 开始的引用链中。若在调用GetGenerationWR 方法之后不调用KeepAlive 方法，不能保证wo 所指向的对象一定是存在的，造成调用失败。

3.2 X509Utils.GetCertContext 方法的实现

示例3：

在将certificate.Handle 作为参数传入CertDuplicateCertificateContext 方法后，若没有GC.KeepAlive 方法，将导致certificate 随时被垃圾回收，导致certificate.Handle 失效。

3.3 RuntimeHelpers.PrepareMethod 方法的实现

示例4：

PrepareMethod 方法是对外部函数_PrepareMethod 的一层包装，在CopyRuntimeTypeHandles 方法使用instantiation 作为参数后，instantiationHandles 的有效性依然依赖于instantiation，故在_PrepareMethod 函数后调用GC.KeepAlive 方法来保证instantiation 在PrepareMethod 函数返回前都是有效的。

4 结语

GC.KeepAlive 的实现并未调用.NET 中的内部类和方法，也未调用Win32 的API，其实质是运用了编译器和运行时的特性，保证了对象不被过早回收，其实现十分简洁。在实际运用中准确运用此方法，提高了程序的安全性和稳定性。