.NET垃圾回收（GC）原理

基礎知識

託管堆(Managed Heap)

先來看MSDN的解釋：初始化新進程時，運行時會爲進程保留一個連續的地址空間區域。這個保留的地址空間被稱爲託管堆。

「託管堆也是堆」，爲何這樣說呢？這麼說是但願你們不要被「術語」迷惑，這個知識點的前提是「值類型和引用類型的區別」。這裏假設讀者已經知道「值類型存儲在棧中，引用類型存儲在堆中。(引用類型的引用存儲在棧中)」這一重要概念。因此，根據這個理論，除值類型外，CLR要求全部資源都從託管堆分配。

託管堆維護着一個指針，這裏命名爲NextObjPtr，它指向下一個對象在堆中的分配位置。

CPU寄存器(CPU Register)

這個是計算機基礎知識，這裏複習一下，有助於對下面「根」概念的理解。

CPU寄存器是CPU本身的」臨時存儲器」,比內存的存取還快。按與CPU遠近來分，離得最近的是寄存器，而後緩存(計算機1、2、三級緩存)，最後內存。

根(Roots)

類中定義的任何靜態字段，方法的參數，局部變量(僅限引用類型變量)等都是根，另外cpu寄存器中的對象指針也是根。根是CLR在堆以外能夠找到的各類入口點。

對象可達與不可達(Objects reachable and unreachable)

若是一個根引用了堆中的一個對象，則該對象爲「可達」，不然便是「不可達」。

垃圾回收的緣由

從計算機組成的角度來說，全部的程序都是要駐留在內存中運行的。而內存是一個限制因素(大小)。除此以外，託管堆也有大小限制。若是託管堆沒有大小限制，那C#的執行速度要優於c了(託管堆的結構讓它有比c運行時堆更快的對象分配速度)。由於地址空間和存儲的限制因素，託管堆要經過垃圾回收機制，來維持它的正常運做，保證對象的分配，不會「內存溢出」。

垃圾回收的基本原理

回收分爲兩個階段：  標記 –> 壓縮

標記的過程，其實就是判斷對象是否可達的過程。當全部的根都檢查完畢後，堆中將包含可達(已標記)與不可達(未標記)對象。

標記完成後，進入壓縮階段。在這個階段中，垃圾回收器線性的遍歷堆，以尋找不可達對象的連續內存塊。並把可達對象移動到這裏以壓縮堆。這個過程有點相似於磁盤空間的碎片整理。

如上圖所示，綠色框表示可達對象，黃色框爲不可達對象。不可達對象清除後，移動可達對象實現內存壓縮(變得更緊湊)。

壓縮以後，「指向這些對象的指針」的變量和CPU寄存器如今都會失效，垃圾回收器必須從新訪問全部根，並修改它們來指向對象的新內存位置。這會形成顯著的性能損失。這個損失也是託管堆的主要缺點。

基於以上特色，垃圾回收引起的回收算法也是一項研究課題。由於若是真等到託管堆滿纔開始執行垃圾回收，那就真的太「慢」了。

垃圾回收算法 – 分代(Generation)算法

代是CLR垃圾回收器採用的一種機制，它惟一的目的就是提高應用程序的性能。分代回收，速度顯然快於回收整個堆。

CLR託管堆支持3代：第0代，第1代，第2代。第0代的空間約爲256KB，第1代約爲2M，第2代約爲10M。新構造的對象會被分配到第0代，

如上圖所示，當第0代的空間滿時，垃圾回收器啓動回收，不可達對象(上圖C、E)會被回收，存活的對象被歸爲第1代。

當第0代空間已滿，第1代也開始有不少不可達對象以致空間將滿時，這時兩代垃圾都將被回收。存活下來的對象(可達對象)，第0代升爲第1代，第1代升爲第2代。

實際CLR的代回收機制更加「智能」，若是新建立的對象生存週期很短，第0代垃圾也會馬上被垃圾回收器回收(不用等空間分配滿)。另外，若是回收了第0代，發現還有不少對象「可達」，

並無釋放多少內存，就會增大第0代的預算至512KB，回收效果就會轉變爲：垃圾回收的次數將減小，但每次都會回收大量的內存。若是尚未釋放多少內存，垃圾回收器將執行

徹底回收(3代)，若是仍是不夠，則會拋出「內存溢出」異常。

也就是說，垃圾回收器會根據回收內存的大小，動態的調整每一代的分配空間預算！達到自動優化！

總結

垃圾回收背後有這樣一個基本的觀念：編程語言(大多數的)彷佛總能訪問無限的內存。而開發者能夠一直分配、分配再分配——像魔法同樣，取之不盡用之不竭。

.NET垃圾回收器的基本工做原理是：經過最基本的標記清除原理，清除不可達對象；再像磁盤碎片整理同樣壓縮、整理可用內存；最後經過分代算法實現性能最優化。