.NET对象与Windows句柄（二）：句柄分类和.NET句柄泄露的例子

上一篇文章介绍了句柄的基本概念，也描述了C#中创建文件句柄的过程。我们已经知道句柄代表Windows内部对象，文件对象就是其中一种，但显然系统中还有更多其它类型的对象。本文将简单介绍Windows对象的分类。

句柄可以代表的Windows对象分为三类，内核对象（Kernel Object）、用户对象（GDI Object）和GDI对象，上一篇文章中任务管理器中的“句柄数”、“用户对象”和“GDI对象”计数就是与这几类对象对应的。为什么要这样分类呢？原因就在于这几类对象对于操作系统而言有不同的作用，管理和引用的方式也不同。内核对象主要用于内存管理、进程执行以及进程间通信，用户对象用于系统的窗口管理，而GDI对象用来支持图形界面。

一、观察句柄变化的小实验

在列举Windows对象的分类之前，我们再看一个关于句柄数量的实验，与之前文件对象的句柄不同，本例中的句柄属于用户对象。程序运行过程中，对象的创建和销毁是动态进行的，句柄数量也随之动态变化，即使是一个最简单的Windows Form程序也可以直观的反映这一点。下图是一个只有文本框和按钮的窗体程序，程序启动后默认输入焦点在文本框上，可以按下Tab键将焦点在文本框和按钮之间交替切换。当我们这样做时，在任务管理器中可以看到：用户对象的数量在21和20之间不断变化。这一数字在你的运行环境中可能不同，但至少说明在焦点切换过程中有一个用户对象在不断的被创建销毁，这个对象就是Caret（插入符号）。

Caret是用户对象的一种，这个闪烁的光标指示输入的位置。我们可以通过Windows API创建这个符号，定制它的样式，也可以设置闪烁时间。创建Caret时，Windows API并不返回它的句柄，原因是一个窗口只能显示一个插入符号，可以通过窗口的句柄对它进行访问，或者更简单的，看哪个线程在调用这些API即可。但无论如何，Caret对象和其句柄是真实存在的，即便我们不需要获取这个句柄。

二、Windows对象的分类

前面提到了Windows对象分为内核对象、用户对象和GDI对象，也举了文件对象和Caret对象的例子，除此之外还有很多其它类型的对象。Windows对象的完整列表，可以参考MSDN中关于Object Categories (Windows) 的描述，其中列举了每个类别的对象，并且针对每种对象都有详细的说明，你可以从中找到这些对象的用法，和对应的Windows API等。本文主要讨论.NET对象和Windows对象的关系，因此在这里只简单列举这些对象以供快速参考。

内核对象：访问令牌、更改通知、通信设备、控制台输入、控制台屏幕缓冲区、桌面、事件、事件日志、文件、文件映射、堆、作业、邮件槽、模块、互斥量、管道、进程、信号量、套接字、线程、定时器、定时器队列、定时器队列定时器、更新资源和窗口站。

用户对象：加速键表、插入符号、光标、动态数据交换会话、钩子、图标、菜单、窗口和窗口位置。

GDI对象：位图、画刷、设备上下文、增强型图元文件、增强型图元文件设备上下文、字体、内存设备上下文、图元文件、图元文件设备上下文、调色板、画笔和区域。

如前所述，不同类别的对象具有不同的作用和特点。内核对象主要用于内存管理、进程执行以及进程间通信。多个进程可以共用同一个内核对象（如文件和事件），但每个进程必须独自创建或打开这个对象以获取自己的句柄，并指定不同的访问权限，这种情况下，一个内核对象会被多个进程的句柄引用；用户对象用于系统的窗口管理，与内核对象不同的是，一个用户对象仅能有一个句柄，但句柄是对其它进程公开的，因此其它进程可以获取并使用这个句柄来访问用户对象。以窗口（Windows）对象为例，一个进程可以获取另一个进程创建的窗口对象的句柄，并向其发送各种消息，这也是很多自动化测试工具得以实现的前提；而GDI对象用来支持图形界面，也只支持单个对象单个句柄，但与用户对象不同的是，GDI对象的句柄是进程私有的。

三、与Windows对象对应的.NET对象

.NET中有不少类型封装了上面所列举Windows对象，我们在使用时要特别注意对这些对象的进行重用和适时销毁。下表是一些对应关系的例子（注意这不是完整列表，也并非严格的一一对应关系），后续文章将会讨论其中一些重要类型的用法。

四、.NET中与句柄泄露相关的异常和现象

上一篇文章提到了句柄的限制，当进程或系统的句柄数量达到上限时，程序运行就会出现异常。常见的错误是System.ComponentModel.Win32Exception的“Error creating window handle”，或者“存储空间不足，无法处理此命令”等，错误出现时内存往往也会有显著增长。如果是达到了系统级别的句柄上限，其它程序的运行也受到影响，系统可能无法打开任何新的菜单和窗口、窗口也会出现绘制不完整的情况。这时及时抓取Dump并终止泄露句柄的进程，系统往往立即恢复正常。

五、第一个句柄泄露的例子

下面的示例代码包含句柄泄露的问题，为了演示方便，实现代码被最简单化，设计的合理性也暂且不作深究。代码模拟了一个应用场景：程序包含一个DataReceiver不断从某个数据源获取实时数据，DataReceiver同时会启动一个DataAnalyzer，定时分析这些数据。设想程序有一个专门的子窗口来显示这些数据，当子窗口被临时关闭时，数据的实时获取和分析过程也可以暂时终止。程序长时间运行的过程中，子窗口可能被用户多次关闭和打开，因此DataReceiver会被创建多次，程序启动后的代码模拟DataReceiver被创建和Dispose了1000次。

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows.Forms;
using Timer = System.Threading.Timer;

namespace LeakExample
{
    public partial class Form1 : Form
    {
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();

            // 模拟程序运行过程中多次创建DataReceiver的情况
            Task.Factory.StartNew(() => {
                for (int i = 0; i < 1000; i++)
                {
                    using (IDisposable receiver = new DataReceiver())
                    {
                        Thread.Sleep(100);
                    }
                }
            });
        }
    }

    public class DataReceiver : IDisposable
    {
        private Timer dataSyncTimer = null;
        private IAnalyzer analyzer = null;
        private bool isDisposed = false;

        public DataReceiver() : this(new DataAnalyzer()) { }

        public DataReceiver(IAnalyzer dataAnalyzer)
        {
            dataSyncTimer = new Timer(GetData, null, 0, 500);
            analyzer = dataAnalyzer;

            analyzer.Start();
        }

        private void GetData(object state)
        {
            // 获取数据并放入缓存
        }

        public void Dispose()
        {
            if (isDisposed)
                return;

            if (dataSyncTimer != null)
            {
                dataSyncTimer.Dispose();
            }

            isDisposed = true;
        }
    }

    public interface IAnalyzer
    {
        void Start();
        void Stop();
    }

    public class DataAnalyzer : IAnalyzer
    {
        private Timer analyzeTimer = null;

        public void Start()
        {
            analyzeTimer = new Timer(DoAnalyze, null, 0, 1000);
        }

        public void Stop()
        {
            if (analyzeTimer != null)
            {
                analyzeTimer.Dispose();
            }
        }

        private void DoAnalyze(object state)
        {
            // 从缓存中取得数据并分析，耗时600毫秒
            Thread.Sleep(600);
        }
    }
}

当运行这段程序时，可以从任务管理器观察到句柄数持续增长，最终基本稳定在某一个较高的数字。虽然DataReceiver被多次创建，但句柄数的增长最终远远超过其被创建的次数。由于代码简单，你很可能已经看出问题所在，然而在实际的项目中，由于软件架构和业务逻辑代码更为复杂，很难一眼就看出问题的根源。下一篇文章将从这个例子入手，结合一些工具来分析问题存在的原因，并讨论Timer是如何工作的。