Advanced .Net Debugging 7：托管堆與垃圾收集

引言在前幾章我們深度講解了單元測試和集成測試的基礎知識，這一章我們來講解一下代碼覆蓋率,代碼覆蓋率是單元測試運行的度量值,覆蓋率通常以百分比表示，用於衡量代碼被測試覆蓋的程度，幫助開發人員評估測試用例的質量和代碼的健壯性。常見的覆蓋率包括語句覆蓋率（Line Coverage）、分支覆蓋率（Bra ...

一、簡介
　　　　這是我的《Advanced .Net Debugging》這個系列的第七篇文章。這篇文章的內容是原書的第二部分的【調試實戰】的第五章，這一章主要講的是從根本上認識托管堆和垃圾回收。軟體系統的記憶體管理方式有兩種，第一種是手動管理記憶體，這種方式容易產生一些問題產生，比如：懸空指針、重覆釋放，或者記憶體泄漏等；第二種是自動記憶體管理，比如：java 平臺、.NET 平臺。儘管 GC 能幫助開發人員簡化開發工作，讓他們更關註系統的業務功能實現。如果我們對 GC 運作原理瞭解更深入一些，也可以讓我們避免在垃圾回收環境中出現的問題。高級調試會涉及很多方面的內容，你對 .NET 基礎知識掌握越全面、細節越底層，調試成功的幾率越大，當我們遇到各種奇葩問題的時候才不會手足無措。
　　　　如果在沒有說明的情況下，所有代碼的測試環境都是 Net 8.0，如果有變動，我會在項目章節里進行說明。好了，廢話不多說，開始我們今天的調試工作。

　　　　 調試環境我需要進行說明，以防大家不清楚，具體情況我已經羅列出來。
　　　　　　　　　　操作系統：Windows Professional 10
　　　　　　　　　　調試工具：Windbg Preview（Debugger Client:1.2306.1401.0，Debugger engine：10.0.25877.1004）和 NTSD（10.0.22621.2428 AMD64）
　　　　　　　　　　下載地址：可以去Microsoft Store 去下載
　　　　　　　　　　開發工具：Microsoft Visual Studio Community 2022 (64 位) - Current版本 17.8.3
　　　　　　　　　　Net 版本：.Net 8.0
　　　　　　　　　　CoreCLR源碼：源碼下載

　　　　在此說明：我使用了兩種調試工具，第一種：Windbg Preivew，圖形界面，使用方便，操作順手，不用擔心干擾；第二種是：NTSD，該調試器是命令行的，命令使用上和 Windbg 沒有任何區別，之所以增加了它的調試過程，不過是我的個人愛好，想多瞭解一些，看看他們有什麼區別，為了學習而使用的。如果在工作中，我推薦使用 Windbg Preview，更好用，更方便，也不會出現奇怪問題（我在使用 NTSD 調試斷點的時候，不能斷住，提示記憶體不可讀，Windbg preview 就沒有任何問題）。
　　　　如果大家想瞭解調試過程，二選一即可，當然，我推薦查看【Windbg Preview 調試】。

二、調試源碼
　　　　廢話不多說，本節是調試的源碼部分，沒有代碼，當然就談不上測試了，調試必須有載體。
　　　　2.1、ExampleCore_5_1

 1 namespace ExampleCore_5_1
 2 {
 3     internal class Program
 4     {
 5         static void Main(string[] args)
 6         {
 7             Name? name;
 8 
 9             Console.WriteLine("Press any key to allocate memory");
10             Console.ReadKey();
11 
12             name = new Name("Mario", "Hewardt");
13 
14             Console.WriteLine("Press any key to Exit");
15             Console.ReadKey();
16         }
17     }
18 
19     internal class Name
20     {
21         private string _first;
22         private string _last;
23 
24         public string First { get { return _first; } }
25 
26         public string Last { get { return _last; } }
27 
28         public Name(string first, string last)
29         {
30             _first = first;
31             _last = last;
32         }
33     }
34 }

View Code

　　　　2.2、ExampleCore_5_2

 1 namespace ExampleCore_5_2
 2 {
 3     internal class Name
 4     {
 5         private string _first;
 6         private string _last;
 7 
 8         public string First { get { return _first; } }
 9 
10         public string Last { get { return _last; } }
11 
12         public Name(string first, string last)
13         {
14             _first = first;
15             _last = last;
16         }
17     }
18 
19     internal class Program
20     {
21         static void Main(string[] args)
22         {
23             Name? n1 = new Name("Mario", "Hewardt");
24             Name? n2 = new Name("Gemma", "Hewardt");
25 
26             Console.WriteLine("allocated objects");
27 
28             Console.WriteLine("Press any key to invoke GC");
29             Console.ReadKey();
30 
31             n1 = null;
32             GC.Collect();
33 
34             Console.WriteLine("Press any key to invoke GC");
35             Console.ReadKey();
36 
37             GC.Collect();
38 
39             Console.WriteLine("Press any key to Exit");
40             Console.ReadKey();
41         }
42     }
43 }

View Code

　　　　2.3、ExampleCore_5_3

 1 namespace ExampleCore_5_3
 2 {
 3     internal class Name
 4     {
 5         private string _first;
 6         private string _last;
 7 
 8         public string First { get { return _first; } }
 9 
10         public string Last { get { return _last; } }
11 
12         public Name(string first, string last)
13         {
14             _first = first;
15             _last = last;
16         }
17     }
18 
19     internal class Program
20     {
21         public static Name CompleteName = new Name("First", "Last");
22 
23         private Thread? thread;
24         private bool shouldExit;
25         static void Main(string[] args)
26         {
27             Program p = new Program();
28             p.Run();
29         }
30 
31         public void Run()
32         {
33             shouldExit = false;
34             Name n1 = CompleteName;
35 
36             thread = new Thread(Worker);
37             thread.Start(n1);
38 
39             Thread.Sleep(1000);
40 
41             Console.WriteLine("Press any key to Exit");
42             Console.ReadKey();
43 
44             shouldExit = true;
45         }
46 
47         public void Worker(object? o)
48         {
49             var n1 = (Name)o!;
50             Console.WriteLine("Thread started {0}，{1}", n1.First, n1.Last);
51 
52             while (true)
53             {
54                 Thread.Sleep(500);
55                 if (shouldExit)
56                 {
57                     break;
58                 }
59             }
60         }
61     }
62 }

View Code

　　　　2.4、ExampleCore_5_4

 1 using System.Runtime.InteropServices;
 2 
 3 namespace ExampleCore_5_4
 4 {
 5     internal class NativeEvent
 6     {
 7         private IntPtr _nativeHandle;
 8         public IntPtr NativeHandle { get { return _nativeHandle; } }
 9 
10         public NativeEvent(string name)
11         {
12             _nativeHandle = CreateEvent(IntPtr.Zero, false, true, name);
13         }
14 
15         ~NativeEvent()
16         {
17             if (_nativeHandle != IntPtr.Zero)
18             {
19                 CloseHandle(_nativeHandle);
20                 _nativeHandle = IntPtr.Zero;
21             }
22         }
23 
24         [DllImport("kernel32.dll")]
25         public static extern IntPtr CreateEvent(IntPtr lpEventAttributes, bool manualReset, bool initialState, string lpName);
26 
27         [DllImport("kernel32.dll")]
28         public static extern IntPtr CloseHandle(IntPtr lpEvent);
29     }
30 
31     internal class Program
32     {
33         static void Main(string[] args)
34         {
35             Program p = new Program();
36             p.Run();
37         }
38 
39         public void Run()
40         {
41             NativeEvent nativeEvent= new NativeEvent("MyNewEvent");
42 
43             Console.WriteLine("Press any key to GC1!");
44             Console.ReadKey();
45 
46             GC.Collect();
47 
48             Console.WriteLine("Press any key to GC2!");
49             Console.ReadKey();
50 
51             GC.Collect();
52 
53             Console.WriteLine("Press any key to Exit!");
54             Console.ReadKey();
55         }
56     }
57 }

View Code

　　　　2.5、ExampleCore_5_5

 1 using System.Diagnostics;
 2 
 3 namespace ExampleCore_5_5
 4 {
 5     internal class Program
 6     {
 7         static void Main(string[] args)
 8         {
 9             Test();
10 
11             Console.WriteLine("1、對象已經分配，請查看托管堆！");
12             Debugger.Break();
13             GC.Collect();
14 
15             Console.WriteLine("2、GC 已經觸發，請查看托管堆中的 byte2");
16             Debugger.Break();
17 
18             Console.WriteLine("3、已分配 byte4，查看是否 Free 塊中");
19             var byte4 = new byte[280000];
20             Debugger.Break();
21         }
22 
23         public static byte[]? byte1;
24         public static byte[]? byte3;
25 
26         private static void Test()
27         {
28             byte1 = new byte[185000];
29             var byte2 = new byte[285000];
30             byte3 = new byte[385000];
31         }
32     }
33 }

View Code

　　　　2.7、ExampleCore_5_6

 1 using System.Runtime.InteropServices;
 2 
 3 namespace ExampleCore_5_6
 4 {
 5     internal class Program
 6     {
 7         static void Main(string[] args)
 8         {
 9             Program program = new Program();
10             program.Run();
11 
12             Console.WriteLine("Press any key to Exit!");
13             Console.ReadKey();
14         }
15 
16         public void Run()
17         {
18             sbyte[] b1;
19             sbyte[] b2;
20             sbyte[] b3;
21 
22             Console.WriteLine("Press any key to Alloc And Pinned!");
23             Console.ReadKey();
24 
25             b1 = new sbyte[100];
26             b2 = new sbyte[200];
27             b3 = new sbyte[300];
28 
29             GCHandle h1 = GCHandle.Alloc(b1, GCHandleType.Pinned);
30             GCHandle h2 = GCHandle.Alloc(b2, GCHandleType.Pinned);
31             GCHandle h3 = GCHandle.Alloc(b3, GCHandleType.Pinned);
32 
33             Console.WriteLine("Press any key to GC1!");
34             Console.ReadKey();
35 
36             GC.Collect();
37 
38             Console.WriteLine("Press any key to Free!");
39             Console.ReadKey();
40 
41             h1.Free();
42             h2.Free();
43             h3.Free();
44 
45             Console.WriteLine("Press any key to GC2!");
46             Console.ReadKey();
47 
48             GC.Collect();
49         }
50     }
51 }

View Code

　　　　2.8、ExampleCore_5_7

 1 using System.Runtime.InteropServices;
 2 
 3 namespace ExampleCore_5_7
 4 {
 5     internal class Program
 6     {
 7         [DllImport("ExampleCore_5_8.dll", CallingConvention = CallingConvention.StdCall, CharSet = CharSet.Unicode)]
 8         public extern static int InitChars(char[] chars);
 9 
10         static void Main(string[] args)
11         {
12             char[] c = { 'a', 'b', 'c' };
13             var len = InitChars(c);
14 
15             GC.Collect();
16 
17             Console.WriteLine($"len={len}");
18             for (int i = 0; i < c.Count(); i++)
19             {
20                 Console.WriteLine($"{i}={c[i]}");
21             }
22             Console.Read();
23         }
24     }
25 }

View Code

　　　　2.9、ExampleCore_5_8(C++)

 1 // ExampleCore_5_8.cpp : 此文件包含 "main" 函數。程式執行將在此處開始並結束。
 2 //
 3 
 4 extern "C"
 5 {
 6     _declspec(dllexport) int InitChars(wchar_t c[]);
 7 }
 8 
 9 #include <iostream>
10 using namespace std;
11 
12 int InitChars(wchar_t* c)
13 {
14     for (size_t i = 0; i < 100; i++)
15     {
16         c[i] = L'a';
17     }
18     return sizeof(wchar_t) * 100;
19 }

View Code

　　　　2.10、ExampleCore_5_9

 1 using System.Runtime.InteropServices;
 2 
 3 namespace ExampleCore_5_9
 4 {
 5     internal class Program
 6     {
 7         static void Main(string[] args)
 8         {
 9             Program program = new Program();
10             program.Run();
11         }
12 
13         public void Run()
14         {
15             Console.WriteLine("<alloc size>");
16             var sizeValue = Console.ReadLine();
17             if (!int.TryParse(sizeValue, out int size))
18             {
19                 Console.WriteLine("參數：<alloc size>!");
20                 return;
21             }
22 
23             Console.WriteLine("<max mem in MB>");
24             var maxMemValue = Console.ReadLine();
25             if (!int.TryParse(maxMemValue, out int maxMem))
26             {
27                 Console.WriteLine("參數：<max mem in MB>!");
28                 return;
29             }
30 
31             byte[][]? nonPinned = null;
32             byte[][]? pinned = null;
33             GCHandle[]? pinnedHandles = null;
34 
35             int numAllocs = maxMem * 1000000 / size;
36             pinnedHandles = new GCHandle[numAllocs];
37 
38             pinned =