GC, IDisposable и производительность: урок по C# и .NET

Управляемая память не означает «о памяти можно не думать». На middle и senior собесах спрашивают устройство GC, разницу Dispose и финализатора, утечки и способы снизить аллокации.

Как работает GC

Сборщик мусора трассирующий: от корней (локальные переменные в стеках, статические поля, закреплённые дескрипторы) он помечает всё достижимое, остальное мусор. Циклические ссылки не мешают: недостижимый цикл соберётся.

После пометки живые объекты сдвигаются (уплотнение), ссылки обновляются. Поэтому выделение памяти в .NET дешёвое: это сдвиг указателя.

Поколения

Gen 0: новые объекты, сборка частая и быстрая.
Gen 1: буфер между молодыми и старыми.
Gen 2: долгоживущие объекты, полная сборка редкая и дорогая.

Гипотеза поколений: большинство объектов умирает молодыми. Объект, переживший сборку, продвигается в следующее поколение.

LOH: объекты от 85 000 байт. Собирается вместе с Gen 2 и по умолчанию не уплотняется, отсюда фрагментация. POH (.NET 5): куча для закреплённых объектов.

Режимы: Workstation и Server GC (в ASP.NET Core по умолчанию Server: куча и поток сборки на ядро). Фоновая сборка Gen 2 работает параллельно с приложением.

IDisposable

GC освобождает память, но не знает, когда закрыть файл, сокет или соединение. Для этого IDisposable и using:

await using var conn = new NpgsqlConnection(cs);
await conn.OpenAsync();

Реализуйте IDisposable, если класс владеет неуправляемым ресурсом или другими IDisposable. Шаблон:

public void Dispose()
{
    Dispose(true);
    GC.SuppressFinalize(this);
}

protected virtual void Dispose(bool disposing)
{
    if (_disposed) return;
    if (disposing) _stream.Dispose();   // управляемые ресурсы
    // неуправляемые ресурсы освобождаются в обоих случаях
    _disposed = true;
}

Финализатор

~MyClass() вызывается потоком финализации в неизвестный момент. Объект с финализатором переживает лишнюю сборку: сначала попадает в очередь, потом освобождается. Финализатор нужен только как страховка для неуправляемых ресурсов, и лучше обернуть ресурс в SafeHandle. GC.SuppressFinalize в Dispose снимает объект с финализации.

Утечки в .NET

GC не соберёт то, что достижимо от корня:

статические коллекции-кеши без вытеснения;
подписки на события долгоживущих объектов;
таймеры, которые держат колбэк;
захват больших объектов в замыканиях;
неосвобождённые неуправляемые ресурсы.

Диагностика: dotnet-counters (размер поколений, частота сборок), dotnet-gcdump и dotnet-dump (кто держит объекты).

Span<T> и Memory<T>

Span<T> это окно на непрерывную память: массив, строку, стек или неуправляемый буфер. Срезы без копирования, но это ref struct: нельзя в поле класса, в лямбду, через await.

Span<byte> buffer = stackalloc byte[256];          // маленький буфер на стеке
ReadOnlySpan<char> part = text.AsSpan(5, 3);
int n = int.Parse(part);

Memory<T> можно хранить и передавать в async-методы, а .Span брать по месту.

Пулы

ArrayPool<T>.Shared.Rent(size) возвращает массив не меньше нужного, обязательно Return, данные внутри не очищены. ObjectPool<T> для дорогих объектов вроде StringBuilder.

Как снижать аллокации

Измерить: BenchmarkDotNet с MemoryDiagnoser, профилировщик.
Убрать лишние строки: span-парсинг, StringBuilder, ёмкость заранее.
Убрать упаковку и замыкания в горячих циклах.
Большие временные буферы брать из пула, чтобы не трогать LOH.
Маленькие неизменяемые значения делать readonly struct.

Частые ошибки

Вызывать GC.Collect() «для надёжности».
Писать финализатор без неуправляемых ресурсов.
Забывать Dispose у HttpResponseMessage, потоков, CancellationTokenSource.
Считать, что циклические ссылки приводят к утечке.

Что спросят на собесе

Как работает GC и зачем поколения?
Что такое LOH и чем она опасна?
Чем Dispose отличается от финализатора, зачем SuppressFinalize?
Какие бывают утечки памяти в .NET и как их искать?
Что такое Span<T> и почему его нельзя хранить в поле класса?

GC, IDisposable и производительность