淺入 .NET Core 中的內存和GC知識

時間 2021-01-11

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參考資料：算法

【1】https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/managed-codewindows

【2】:https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/clrapi

託管代碼

在 .NET 中， CLR(Common Language Runtime) 負責提取託管代碼並編譯成機器語言，而後執行它。在此過程當中，CLR 提供自動內存管理、安全邊界、類型安全等服務，保證了代碼安全。安全

託管代碼指在其執行過程當中由 CLR(Common Language Runtime) 管理的代碼，託管代碼是可在 .NET 上運行得一種高級語言(C#、F#等)，編寫的託管代碼被編譯後會被生成 中間語言(IL)。微信

CLR 有 .NET Core/.NET5+、Mono、.NET Framework 等實現，託管代碼生成的文件(IL代碼)不能被操做系統直接運行，須要 CLR 的實現(如 .NET5) 託管運行，託管過程當中對其再次編譯生成二進制代碼(JIT編譯)。函數

中間語言(IL)有時也稱爲公共中間語言 (CIL) 或 Microsoft 中間語言 (MSIL)。this

自動內存管理

自動內存管理是 CLR 的功能之一，它能夠爲應用程序管理內存的分配和釋放，託管代碼被執行時，由 CLR 進行內存管理，保證了內存安全。spa

垃圾回收

GC

GC(garbage collector)中文譯爲垃圾回收器，.NET 中的 GC 指的是 CLR 中的自動內存管理器，GC 負責管理 .NET 程序的內存分配和釋放。操作系統

GC 的優勢以下：設計

自動管理內存，沒必要手動分配和釋放；
高效管理託管堆上的對象；
智能回收對象，清除內存；
內存安全：避免野指針、懸空指針等狀況形成嚴重錯誤；

內存

物理內存

物理內存是物理內存條上的內存空間，是物理機器真實的容量大小。

虛擬內存

虛擬內存(Virtual Memory)是計算機操做系統進行內存管理的一種技術，它能夠將多個硬件、非連續地址的碎片空間組合起來，造成進程上可識別的連續內存空間。

虛擬內存由操做系統進行支持，如 Windows 上的虛擬內存，Linux 上的交互空間，虛擬內存須要操做系統映射到真實的內存地址空間才能使用。虛擬內存調度方式有分頁式、段式、段頁式3種，讀者感興趣可自行查閱資料。

現代操做系統都採用了虛擬內存管理技術，經過對物理存儲設備的抽象，操做系統調度外存看成內存使用，提供了比物理內存更大的內存範圍。

這些存儲設備組成的內存稱爲虛擬地址空間，而用戶（開發者）接觸到的地址是虛地址，並非真實的物理地址。虛擬空間大大拓展了內存，使得系統能夠同時運行多道程序而不「吃力」。

虛擬地址空間分爲兩部分：用戶空間、內核空間，每一個程序運行時的會消耗兩種空間。在 Linux 中比例是 3：1，在 Windows 中是 2：2。

.NET 內存組成

.NET 中，內存分爲非託管內存、託管內存。

.NET Core/.NET5+ 有一個稱爲 dotnet 的驅動程序，此驅動程序用於執行命令或運行 .NET 程序。當咱們使用 dotnet 命令運行一個 .dll 文件時，操做系統會啓動 dotnet 驅動程序，此時會分配操做系統內存資源、dotnet 驅動程序內存資源，這一部分即非託管資源，其中 dotnet 部分的內存包含了 CLR 等部件的內存。即便你並無使用到 C/C++ 等非託管代碼或者使用非託管資源，也會使用到非託管內存。

接下來 CLR 將初始化新進程，CLR 將爲其分配託管內存(託管堆)，這段託管內存是一個連續的地址空間區域。.NET 安全代碼只能使用託管內存，不能直接使用物理內存，垃圾收集器會爲安全代碼在託管堆上分配和釋放虛擬內存。

顯然， dotnet 的工做原理十分複雜，筆者沒有能力講清楚，感興趣的讀者能夠自行查閱資料。

CLR 中的內存

微軟 .NET CLR 文檔中寫道：By default, on 32-bit computers, each process has a 2-GB user-mode virtual address space.

即在 32 位系統中，.NET 進程會使用 2GB 的用戶模式虛擬內存，其虛擬地址空間的表示範圍是 0x00000000 到 0x7fff；而 64 位系統中，地址範圍是 0x000'00000000 到0x7FFF'FFFFFFFF，約等於 16TB。

從以上信息，咱們知道 .NET 程序會消耗比較多的虛擬內存，若是在 64 位操做系統上運行 .NET 程序，其用戶模式虛擬地址空間可能遠遠大於 2GB。

編寫一個 "c1" 程序，其代碼以下：

static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("Hello World!");
            Console.Read();
        }

在 Linux 中使用 dotnet xx.dll 命令運行程序，而後查看其佔用的資源：

VIRT    RES    SHR S  %CPU  %MEM     TIME+ COMMAND
  3.1g   0.0g   0.0g S   0.3   0.3   0:00.83 dotnet

使用 dotnet-counters 查看 dotnet 進程：

GC Heap Size (MB)                                              0
    Gen 0 GC Count (Count / 1 sec)                                 0
    Gen 0 Size (B)                                                 0
    Gen 1 GC Count (Count / 1 sec)                                 0
    Gen 1 Size (B)                                                 0
    Gen 2 GC Count (Count / 1 sec)                                 0
    Gen 2 Size (B)                                                 0
    LOH Size (B)                                                   0

注：使用 dotnet run 運行 .NET 項目，會出現 dotnet、c1 兩個進程，能夠看到會產生 dotnet 和 c1 兩個進程，dotnet 是驅動程序，dotnet 啓動後，CLR 會將. dll 程序集編譯，並初始化啓動一個進程。

CLR 中的虛擬地址空間須要位於一個地址塊中，由於在請求虛擬內存分配時，虛擬內存管理器必須找到知足需求的單個可用塊，例如就算存在大於 2GB 的虛擬地址空間，但若是不是連續的，則會分配失敗。若是沒有足夠的可供保留的虛擬地址空間或可供提交的物理空間，則可能會用盡內存。

CLR 虛擬內存狀態

CLR 中的虛擬內存能夠有三種狀態:

State	Description
Free 可用	The block of memory has no references to it and is available for allocation. 內存塊沒有對它的引用，能夠進行分配
Reserved保留	The block of memory is available for your use and cannot be used for any other allocation request. 該內存塊可供您使用，不能用於任何其餘分配請求 However, you cannot store data to this memory block until it is committed. 可是，在提交數據以前，不能將數據存儲到此內存塊中
Committed已提交	The block of memory is assigned to physical storage. 內存塊已指派給物理存儲