C# Programming

1. 目次
2. 目的
3. 参考書
4. GCお任せパターン? Dispose パターン？ using パターン？どれをつかえばいいの？
5. 実験で確かめてみる
6. .NET Framework のメモリ管理の内部動作
7. クラスを作成する場合の注意
8. ソースコード
9. 改定記録

GotDotNetで、激論になりましたが、どうも自分でも納得できないところがありました。
というのは、明示的なDispose()、あるいはusingステートメントパターンが良いと言う意見がありますが、MSDNのサンプルの多くは、暗黙のGCで書かれているサンプルが多いですよね。

もし、MSがDispose(), usingステートメントをお勧めなら、MSDNのサンプルはDispose()パターン、あるいはusingステートメントパターンでかかれると思うんですよね。

それで、はたしてDispose(), usingステートメントを使うべきなのか、あるいはGCにおまかせパターンでよいのか、GDI+ の場合について検証してみました。

以下は、メモリ管理に関して、ある程度の知識があることを前提としています。

（１）　ガベージコレクション入門: Microsoft .NET Framework の自動メモリ管理 Part I
（２）　ガベージコレクション入門: Microsoft .NET Framework の自動メモリ管理 Part II
（３）　MSDN: System.GC
（４）　GotDotNet: IDisposable/Dispose/using に関して
（５）　.NET関連資料室  青柳さんの−usingを使え、使えったら使え(^^)−

メモリ管理パターンは次の３つ　(GCお任せパターン、Dispose パターン、using 文パターン）　が考えられます。
Microsoft のサンプルプログラムでは、ほとんどのものが GCお任せパターンです。
一方で、Disposeを実装が実装されている場合は、Disposeを呼びなさいと言うことも書いてあります。
いったい、どうすればいいのでしょうか。

実験の結果、次のような結論になりました。

OnPaint イベントで、GDI+で線を描画するガベージコレクションテストプログラムを作成しました。
次のテスト用アプリケーションは、指定回数分、直線、文字、画像を指定回数描画し、その時間を測定するプログラムです。

Memory のラジオボタンは、それぞれ次のとおりです。

• Auto GC　→　GCお任せ
• Dispose　→　Disposeパターン
• Using　→　using文パターン

Use Imageをチェックした場合だけ、画像も処理します。

１．２７MBの画像を使用した場合、それぞれ３つのパターンで実行した場合のパフォーマンスモニターの結果を次に示します。
各パターン実行前には、System.GC.Collect() により、強制的にGCを実行しています。

これより、次のことがわかります。

1. 速度的には、どの方法でもほとんど同じである。
2. GCお任せの場合は、かなりメモリを消費する。

次に、大きなリソースである画像の影響がどのぐらいあるのか確認するために、画像を扱う場合と扱わない場合の違いを測定したのが次の図です。

このときのPCは、すべてのプロセスがオンメモリで動作可能な状況でしたので、ガベージコレクション自体はほとんど時間はかかってないようです。

MSDNより抜粋
『Microsoftの処理性能テストによれば、管理ヒープ内のメモリ確保は、Win32 HeapAllocファンクションによる標準のメモリ確保よりも高速である。また、200MHz Pentiumでジェネレーション0に完全にGCをかけても1ミリ秒以下の時間しかかからないと示されている。Microsoftの目標は、GCに通常のページフォルトよりも長い時間がかからないようにすることである。 』

とあるように、GCそのものは思った以上に高速でした。

画像を使用しない場合は、プロセスの最大メモリ使用量が約１７MBで収まったのに対して、画像を使用する場合は最大で約180MBにも達しています。このとき 、搭載メモリ１GBで、空きメモリエリアが約５００MBのPCでテストしましたので、空きメモリの約 1/3 までメモリを食いつぶされたことになります。

GCお任せではガベージコレクションが実行されるまでリソースが開放されないため、特に画像のような大量のリソースを消費する場合には、かなりメモリが消費されます。このため、ガベージコレクションで遅くなるというよりは、ページングが起きて性能低下する危険性が高 まります。特にPCのメモリが少ない場合はスラッシングに陥る危険性が高いので、注意が必要です。

ジェネレーションごとのヒープサイズ

サイズはガベージ コレクタによって調整され、アプリケーションの実行中に変動します。ヒープサイズの大きさをパフォーマンスモニターで観察してみると、かなり頻繁にヒープサイズが自動調整されてい ることがわかります。おそらくシステム環境を見ながら、最適な値に調整しているのだと思います。

.NETでは、引数、静的変数、ローカル変数などのすべてのリソースは .NET 管理ヒープから確保される。これらのリソースは、ルーツから参照される。ルーツは、CLRによって管理される。

.NET Framework では、Generation 0（新）, 1, 2（古） の３世代のメモリ管理を行います。
すべてのオブジェクトはGeneration 0 として生成されます。

通常、ガベージコレクションには、かなりの負荷がかかります。一昔前のシステムだと、一度GCがかかるとその瞬間システムの反応が止まる、あるいは極端に遅くなるのがわかるほどです。このため、GCの効率化は前からの課題でした。通常、古いオブジェクトほど長い時間生き残る可能性があり、新しいオブジェクトほど短命である可能性が高いので、新しいオブジェクトは頻繁に、古いオブジェクトはそれほど頻繁ではなくGCすることにより、高速なGCを行うことができます。

また、ファイナライザーを持つオブジェクトと、持たないオブジェクトでは処理が違ってきます。
ファイナライザーを持つオブジェクトが.NET管理ヒープにアロケートされた場合、ファイナライゼーションキューに追加され、F Reachableキューを経由して開放されます。
このあたりの動きについて、以下の図で説明していきます。

下図では、オブジェクトA-Fがアロケートされ、その後B, Eが参照されなくなった時のルーツ、.NET管理ヒープ、Finalizationキュー、F Reachableキューの様子を示す。

この状態で、管理ヒープのG0の使用量が規定値を超えた場合に、ガベージコレクションが実行される。オブジェクトはG1世代となる。Object Bは、ファイナライザーを持たないため、すぐに開放される。一方、Object Eは、ルーツから参照されないため、F Reachable キューに移動される。F Reachable キューに登録された時点で、Finalize呼び出しのためのスレッドが動き出し、Object Eのファイナライザーを起動する。

Object Eのファイナライザーを実行完了すると、F Reachable キューからObject Eが削除される。この状態で、管理ヒープのObject Eはどこからも参照されない状態になり、次回のGCで削除できる状態になる。

次に、新しいObject G, H がアロケートされた場合の状態を下図に示す。

下図は、そこから、D, Gの参照が外れた状態を示す。

下図は、２回目のGCがかかったときの状態を示す。参照されていないD, E, Gが回収される。

下図は、さらにオブジェクト I が追加されたときの状態を示す。

改定記録

ソースコード

ガベージコレクション　テスト用アプリケーション

using System;
using System.Drawing;
using System.Collections;
using System.ComponentModel;
using System.Windows.Forms;
using System.Data;

namespace WinForm1
{
	/// 

	/// Form1 の概要の説明です。
	/// 
	public class Form1 : System.Windows.Forms.Form
	{
		private System.Windows.Forms.Button button1;
		private System.Windows.Forms.Label label1;
		private System.Windows.Forms.Button button3;
		private System.Windows.Forms.Button button4;
		private System.Windows.Forms.Button button5;
		private System.Windows.Forms.Button button6;
		private System.Windows.Forms.Label label2;
		private System.Windows.Forms.NumericUpDown numericUpDown1;
		private System.Windows.Forms.Label label3;
		private System.Windows.Forms.RadioButton rbNone;
		private System.Windows.Forms.RadioButton rbDispose;
		private System.Windows.Forms.RadioButton rbUsing;
		private System.Windows.Forms.GroupBox groupBox1;
		private System.Windows.Forms.Button button2;
		private System.Windows.Forms.OpenFileDialog openFileDialog1;
		private System.Windows.Forms.CheckBox checkBoxUseImage;
		private System.Windows.Forms.Label labelCount;
		/// 

		/// 必要なデザイナ変数です。
		/// 
		private System.ComponentModel.Container components = null;

		public Form1()
		{
			//
			// Windows フォーム デザイナ サポートに必要です。
			//
			InitializeComponent();

			//
			// TODO: InitializeComponent 呼び出しの後に、
			// コンストラクタ コードを追加してください。
			//
		}

		/// 

		/// 使用されているリソースに後処理を実行します。
		/// 
		protected override void Dispose( bool disposing )
		{
			if( disposing )
			{
				if (components != null) 
				{
					components.Dispose();
				}
			}
			base.Dispose( disposing );
		}

		#region Windows フォーム デザイナで生成されたコード 
		/// 

		/// デザイナ サポートに必要なメソッドです。このメソッドの内容を
		/// コード エディタで変更しないでください。
		/// 
		private void InitializeComponent()
		{
			this.button1 = new System.Windows.Forms.Button();
			this.label1 = new System.Windows.Forms.Label();
			this.button3 = new System.Windows.Forms.Button();
			this.button4 = new System.Windows.Forms.Button();
			this.button5 = new System.Windows.Forms.Button();
			this.button6 = new System.Windows.Forms.Button();
			this.label2 = new System.Windows.Forms.Label();
			this.numericUpDown1 = new System.Windows.Forms.NumericUpDown();
			this.label3 = new System.Windows.Forms.Label();
			this.rbNone = new System.Windows.Forms.RadioButton();
			this.rbDispose = new System.Windows.Forms.RadioButton();
			this.rbUsing = new System.Windows.Forms.RadioButton();
			this.groupBox1 = new System.Windows.Forms.GroupBox();
			this.button2 = new System.Windows.Forms.Button();
			this.openFileDialog1 = new System.Windows.Forms.OpenFileDialog();
			this.checkBoxUseImage = new System.Windows.Forms.CheckBox();
			this.labelCount = new System.Windows.Forms.Label();
			((System.ComponentModel.ISupportInitialize)(this.numericUpDown1)).BeginInit();
			this.groupBox1.SuspendLayout();
			this.SuspendLayout();
			// 
			// button1
			// 
			this.button1.Location = new System.Drawing.Point(296, 128);
			this.button1.Name = "button1";
			this.button1.Size = new System.Drawing.Size(72, 24);
			this.button1.TabIndex = 0;
			this.button1.Text = "Run";
			this.button1.Click += new System.EventHandler(this.button1_Click);
			// 
			// label1
			// 
			this.label1.Font = new System.Drawing.Font("MS UI Gothic", 
				18F, System.Drawing.FontStyle.Regular, 
				System.Drawing.GraphicsUnit.Point, ((System.Byte)(128)));
			this.label1.Location = new System.Drawing.Point(176, 168);
			this.label1.Name = "label1";
			this.label1.Size = new System.Drawing.Size(112, 32);
			this.label1.TabIndex = 2;
			this.label1.Text = "0.0";
			this.label1.TextAlign = System.Drawing.ContentAlignment.TopRight;
			// 
			// button3
			// 
			this.button3.Location = new System.Drawing.Point(40, 208);
			this.button3.Name = "button3";
			this.button3.Size = new System.Drawing.Size(64, 24);
			this.button3.TabIndex = 3;
			this.button3.Text = "Do GC 0";
			this.button3.Click += new System.EventHandler(this.button3_Click);
			// 
			// button4
			// 
			this.button4.Location = new System.Drawing.Point(120, 208);
			this.button4.Name = "button4";
			this.button4.Size = new System.Drawing.Size(64, 24);
			this.button4.TabIndex = 4;
			this.button4.Text = "Do GC 1";
			this.button4.Click += new System.EventHandler(this.button4_Click);
			// 
			// button5
			// 
			this.button5.Location = new System.Drawing.Point(208, 208);
			this.button5.Name = "button5";
			this.button5.Size = new System.Drawing.Size(64, 24);
			this.button5.TabIndex = 5;
			this.button5.Text = "Do GC 2";
			this.button5.Click += new System.EventHandler(this.button5_Click);
			// 
			// button6
			// 
			this.button6.Location = new System.Drawing.Point(304, 208);
			this.button6.Name = "button6";
			this.button6.Size = new System.Drawing.Size(64, 24);
			this.button6.TabIndex = 6;
			this.button6.Text = "Do GC All";
			this.button6.Click += new System.EventHandler(this.button6_Click);
			// 
			// label2
			// 
			this.label2.Font = new System.Drawing.Font("MS UI Gothic", 
				18F, System.Drawing.FontStyle.Regular, 
				System.Drawing.GraphicsUnit.Point, ((System.Byte)(128)));
			this.label2.Location = new System.Drawing.Point(304, 168);
			this.label2.Name = "label2";
			this.label2.Size = new System.Drawing.Size(64, 24);
			this.label2.TabIndex = 7;
			this.label2.Text = "SEC";
			// 
			// numericUpDown1
			// 
			this.numericUpDown1.Font = new System.Drawing.Font("MS UI Gothic", 
				15.75F, System.Drawing.FontStyle.Regular, 
				System.Drawing.GraphicsUnit.Point, ((System.Byte)(128)));
			this.numericUpDown1.Location = new System.Drawing.Point(288, 16);
			this.numericUpDown1.Maximum = new System.Decimal(new int[] {
				1000000,
				0,
				0,
				0});
			this.numericUpDown1.Name = "numericUpDown1";
			this.numericUpDown1.Size = new System.Drawing.Size(88, 28);
			this.numericUpDown1.TabIndex = 8;
			this.numericUpDown1.TextAlign = System.Windows.Forms.HorizontalAlignment.Right;
			this.numericUpDown1.Value = new System.Decimal(new int[] {
						500,0,0,0});
			// 
			// label3
			// 
			this.label3.Font = new System.Drawing.Font("MS UI Gothic", 
				15.75F, System.Drawing.FontStyle.Regular, 
				System.Drawing.GraphicsUnit.Point, ((System.Byte)(128)));
			this.label3.Location = new System.Drawing.Point(216, 16);
			this.label3.Name = "label3";
			this.label3.Size = new System.Drawing.Size(72, 24);
			this.label3.TabIndex = 9;
			this.label3.Text = "Repeat";
			// 
			// rbNone
			// 
			this.rbNone.Checked = true;
			this.rbNone.Location = new System.Drawing.Point(16, 24);
			this.rbNone.Name = "rbNone";
			this.rbNone.Size = new System.Drawing.Size(80, 32);
			this.rbNone.TabIndex = 10;
			this.rbNone.TabStop = true;
			this.rbNone.Text = "Auto GC";
			// 
			// rbDispose
			// 
			this.rbDispose.Location = new System.Drawing.Point(16, 48);
			this.rbDispose.Name = "rbDispose";
			this.rbDispose.Size = new System.Drawing.Size(80, 32);
			this.rbDispose.TabIndex = 11;
			this.rbDispose.Text = "Dispose";
			// 
			// rbUsing
			// 
			this.rbUsing.Location = new System.Drawing.Point(16, 72);
			this.rbUsing.Name = "rbUsing";
			this.rbUsing.Size = new System.Drawing.Size(80, 32);
			this.rbUsing.TabIndex = 12;
			this.rbUsing.Text = "Using";
			// 
			// groupBox1
			// 
			this.groupBox1.Controls.Add(this.rbNone);
			this.groupBox1.Controls.Add(this.rbDispose);
			this.groupBox1.Controls.Add(this.rbUsing);
			this.groupBox1.Location = new System.Drawing.Point(176, 48);
			this.groupBox1.Name = "groupBox1";
			this.groupBox1.Size = new System.Drawing.Size(104, 112);
			this.groupBox1.TabIndex = 13;
			this.groupBox1.TabStop = false;
			this.groupBox1.Text = "Memory";
			// 
			// button2
			// 
			this.button2.Location = new System.Drawing.Point(296, 88);
			this.button2.Name = "button2";
			this.button2.Size = new System.Drawing.Size(72, 24);
			this.button2.TabIndex = 14;
			this.button2.Text = "Set Image";
			this.button2.Click += new System.EventHandler(this.button2_Click);
			// 
			// checkBoxUseImage
			// 
			this.checkBoxUseImage.Location = new System.Drawing.Point(296, 64);
			this.checkBoxUseImage.Name = "checkBoxUseImage";
			this.checkBoxUseImage.Size = new System.Drawing.Size(80, 16);
			this.checkBoxUseImage.TabIndex = 15;
			this.checkBoxUseImage.Text = "Use Image";
			// 
			// labelCount
			// 
			this.labelCount.Font = new System.Drawing.Font("MS UI Gothic", 
				18F, System.Drawing.FontStyle.Regular, 
				System.Drawing.GraphicsUnit.Point, ((System.Byte)(128)));
			this.labelCount.Location = new System.Drawing.Point(32, 168);
			this.labelCount.Name = "labelCount";
			this.labelCount.Size = new System.Drawing.Size(112, 32);
			this.labelCount.TabIndex = 16;
			this.labelCount.Text = "0.0";
			this.labelCount.TextAlign = System.Drawing.ContentAlignment.TopRight;
			// 
			// Form1
			// 
			this.AutoScaleBaseSize = new System.Drawing.Size(5, 12);
			this.ClientSize = new System.Drawing.Size(392, 246);
			this.Controls.Add(this.labelCount);
			this.Controls.Add(this.checkBoxUseImage);
			this.Controls.Add(this.button2);
			this.Controls.Add(this.groupBox1);
			this.Controls.Add(this.label3);
			this.Controls.Add(this.numericUpDown1);
			this.Controls.Add(this.label2);
			this.Controls.Add(this.button6);
			this.Controls.Add(this.button5);
			this.Controls.Add(this.button4);
			this.Controls.Add(this.button3);
			this.Controls.Add(this.label1);
			this.Controls.Add(this.button1);
			this.Name = "Form1";
			this.Text = "Garbage Collection Test";
			this.Paint += new System.Windows.Forms.PaintEventHandler(this.Form1_Paint);
			((System.ComponentModel.ISupportInitialize)(this.numericUpDown1)).EndInit();
			this.groupBox1.ResumeLayout(false);
			this.ResumeLayout(false);

		}
		#endregion

		/// 

		/// アプリケーションのメイン エントリ ポイントです。
		/// 
		[STAThread]
		static void Main() 
		{
			Application.Run(new Form1());
		}

		private void button1_Click(object sender, System.EventArgs e)
		{
			DateTime start = DateTime.Now;
			for(int i = 0; i < this.numericUpDown1.Value; i++)
			{
				this.Refresh();
				this.labelCount.Text = i.ToString();
			}
			DateTime end = DateTime.Now;
			TimeSpan diff = end - start;
			this.label1.Text = diff.TotalSeconds.ToString("f3");
		}
		
		private void Form1_Paint(object sender, System.Windows.Forms.PaintEventArgs e)
		{
			if (this.rbNone.Checked)
			{
				Graphics g = e.Graphics;
				
				if (this.checkBoxUseImage.Checked)
				{
					Bitmap bmp = new Bitmap(fname);
					g.DrawImage(bmp, 0,0, 100, 100);
				}

				Pen rPen = new Pen(Color.Red, 1.0F);
				g.DrawLine(rPen, 0, 0, 100, 100);		
		
				SolidBrush brush = new SolidBrush(SystemColors.WindowText);
				Font font = new Font("Courier", 12);
				g.DrawString("文字列", font, brush, 50, 50);

			}
			else if (this.rbDispose.Checked)
			{
				Graphics g = e.Graphics;
				
				if (this.checkBoxUseImage.Checked)
				{
					Bitmap bmp = new Bitmap(fname);
					g.DrawImage(bmp, 0,0, 100, 100);
					bmp.Dispose();
				}

				Pen rPen = new Pen(Color.Red, 1.0F);
				g.DrawLine(rPen, 0, 0, 100, 100);	
				rPen.Dispose();
		
				SolidBrush brush = new SolidBrush(SystemColors.WindowText);
				Font font = new Font("Courier", 12);
				g.DrawString("文字列", font, brush, 50, 50);
				font.Dispose();
				
				g.Dispose();
			}
			else if (this.rbUsing.Checked)
			{
				using (Graphics g = e.Graphics)			
				{
					if (this.checkBoxUseImage.Checked)
					{
						using (Bitmap bmp = new Bitmap(fname))
							g.DrawImage(bmp, 0,0, 100, 100);
					}
					using (SolidBrush brush = 
						new SolidBrush(SystemColors.WindowText))
					using (Font font = new Font("Courier", 12))
					using (Pen rPen = new Pen(Color.Red, 1.0F))
					{
						g.DrawLine(rPen, 0, 0, 100, 100);
						g.DrawString("文字列", font, brush, 50, 50);
					}
				}
			}
		}

		private void button3_Click(object sender, System.EventArgs e)
		{
			GC.Collect(0);
		}

		private void button4_Click(object sender, System.EventArgs e)
		{
			GC.Collect(1);
		}

		private void button5_Click(object sender, System.EventArgs e)
		{
			GC.Collect(2);		
		}

		private void button6_Click(object sender, System.EventArgs e)
		{
			GC.Collect();		
		}

		private string fname = null;
		private void button2_Click(object sender, System.EventArgs e)
		{
			DialogResult res = this.openFileDialog1.ShowDialog();
			if (res == DialogResult.OK) 
			{
				fname = this.openFileDialog1.FileName;	
				this.checkBoxUseImage.Checked = true;
				Invalidate();
			}
		}

	}
}