第二十一章 託管堆和垃圾回收

目錄：

21.1 託管堆基礎

21.2 代：提高性能

21.3 使用須要特殊清理的類型

21.1 託管堆基礎

在面向對象的環境中，每一個類型都表明可供程序使用的一種資源。要使用這些資源，必須爲表明資源的類型分配內存，訪問一個資源所需步驟：

1.調用IL指令newobj，爲表明資源的類型分配內存（通常使用C#new操做符來完成）。

2.初始化內存，設置資源的初始狀態並使資源可用。類型的實例構造器負責設置初始狀態。

3.訪問類型的成員來使用資源（有必要能夠重複）。

4.推毀資源的狀態以進行清理。

5.釋放內存。垃圾回收器獨自負責這一步。

1.1 從託管堆分配資源

CLR要求全部對象都從託管堆分配。進程初始化時，CLR劃出一個地址空間區域做爲託管堆。CLR還要維護一個指針（NextObjPtr），該指針指向下一個對象在堆中的分配位置。剛開始的時候，NextObjPtr設爲地址空間區域的基地址。

一個區域被非垃圾對象填滿後，CLR會分配更多的區域。這個過程一直重複，直至整個進程地址空間都被填滿。（因此應用程序的內存受進程的虛擬地址空間的限制）

C#的new操做符致使CLR執行如下步驟：

1.計算類型的字段（以及從基類型繼承的字段）所須要的字節數。

2.加上對象的開銷所須要的字節數。每一個對象都有兩個開銷字段：類型對象指針和同步塊索引。

3.CLR檢查區域中是否有分配對象所需的字節數。若是託管堆有足夠的可用空間，就在NextObjStr指針指向的地址處放入對象，爲對象分配的字節會被清零。接着調用類型構造器（爲this參數傳遞NextObjPtr），new操做符返回對象引用。就在返回這個引用以前，NextObjStr指針的值會加上對象佔用的字節數來獲得一個新值，即下個對象放入托管堆的地址。

對於託管堆，分配對象只需在指針上加一個值-速度至關快。

1.2 垃圾回收算法

沒有足夠地址空間來分配對象時，CLR就執行垃圾回收。

CLR使用引用跟蹤算法。引用跟蹤算法只關心引用類型的變量，由於只有這種變量才能引用堆上的對象；值類型變量直接包含值類型實例。引用類型變量可在許多場合使用，包括類的靜態和實例字段，或者方法的參數和局部變量。引用類型的變量稱爲-根。

CLR開始GC時，首先暫停進程中的全部線程。這樣能夠防止線程在CLR檢查期間訪問對象並更改其狀態。而後，CLR進入GC的標記階段。在這個階段，CLR遍歷堆中的全部對象，將同步塊索引字段中的一位設爲0。這代表全部對象都應刪除。而後，CLR檢查全部活動根，查看它們引用了哪些對象。若是一個根包含null，CLR忽略這個根並繼續檢查下個根。

任何根若是引用了堆上的對象，CLR都會標記那個對象，也就是將該對象的同步塊索引中的位設爲1。一個對象被標記後，CLR會檢查那個對象中的根，標記它們引用的對象。若是發現對象已經標記，就不從新檢查對象的字段。這就避免了因循環引用而產生死循環。

已標記的對象是可達的，由於應用程序代碼可經過仍在引用它的變量抵達（訪問）它。未標記的對象是不可達的，由於應用程序中不存在使對象能再次訪問的根。

CLR知道哪些對象能夠倖存，哪些能夠刪除後，就進入GC的壓縮階段。在這個階段，CLR對堆中已標記的對象進行「移動」，壓縮多有幸存下來的對象，使它們佔用連續的內存空間。最後，CLR還要從每一個根減去所引用的對象在內存中便宜的字節數。這樣就能保證麼個根仍是引用和以前同樣的對象。壓縮好內存以後，託管堆的NextObjPtr指針指向最後一個倖存對象以後的位置。下一個分配的對象將放到這個位置。

若是CLR在一次GC以後回收不了內存，並且進程中沒有空間來分配新的GC區域。就說明該進程的內存已耗盡。

靜態字段引用的對象一直存在，直到用於加載類型的AppDomain卸載爲止。會致使內存泄露，應避免使用靜態字段

1.3 垃圾回收和調試

一旦根離開做用域，它引用的對象就變得「不可達」，GC會回收其內存；不保證對象在方法的生存期中自始至終地存活。

21.2 代：提高性能

CLR的GC是基於代的垃圾回收器：

對象越新，生存期越短。

對象越老，生存期越長。

回收堆的一部分，速度快於回收整個堆。

託管堆在初始化時不包含對象。添加到堆的對象稱爲第0代（新構造的對象）對象，垃圾回收器從未檢查過它們。

託管堆只支持三代：第0代，第1代和第2代。

若是垃圾回收器發如今回收0代後存活下來的對象不多，就可能減小第0代的預算。已分配空間的減小意味着垃圾回收將更頻繁地發生，但垃圾回收器每次作的事情也減小了，這減小了進程的工做集。

若是垃圾回收器回收了第0代，發現還有不少對象存活，沒有多少內存被回收，就會增大第0代的預算。如今，垃圾回收的次數將減小，但每次進行垃圾回收時，回收的內存要多得多。

 2.1 垃圾回收出發條件

代碼顯示調用System.GC的靜態Collect方法。

Window報告低內存狀況。

CLR正在卸載AppDomain。

CLR正在關閉

2.2 大對象

85000字節或更大的對象時大對象。CLR以不一樣的方式對待大小對象

大對象不是小對象的地址空間分配，而是在進程地址空間的其餘地方分配。

目前版本的GC不壓縮大對象，由於在內存中移動它們代價太高。

大對象老是第2代，毫不多是第0代或第1代。因此只能爲須要長時間存活的資源建立大對象。大對象通常是大字符串（好比XML或JSON）或者用於I/O操做的字節數組（好比從文件或網絡將字節讀入緩衝區以便處理）。

2.3 垃圾回收模式

CLR啓動時會選擇一個GC模式，進程終止前該模式不會改變：

工做站：該模式針對客戶端應用程序優化GC。GC形成的延時很低，應用程序線程掛起時間很短，避免使用戶感到焦慮。在該模式中，GC假定機器上運行的其餘應用程序都不會消耗太多的CPU資源。

服務器：該模式針對服務器端應用程序優化GC。被優化的主要是吞吐量和資源利用。GC假定機器上沒有運行其餘應用程序，並假定機器的全部CPU均可用來輔助完成GC。該模式形成託管堆被拆分紅幾個區域，每一個CPU一個。

子模式：併發（默認） 或非併發模式。在併發模式中，垃圾回收器有一個額外的後臺線程，他能在應用程序運行時併發標記對象。

GCSetting類中GCLatencyMode屬性：

符號名稱	說明
Batch（「服務器「GC模式的默認值）	關閉併發GC
Interractive（「工做站」GC模式默認值）	打開併發GC
LowLatency	在短時間的，時間敏感的操做中使用這個延遲模式
SustainedLowLatency	使用這個延遲模式，應用程序的大多數操做都不會發生長的GC暫停

 

 2.4 強制垃圾回收

GCCollectionMode枚舉

符號名稱	說明
Default	等同於不傳遞任何符號名稱。目前還等同於傳遞Forced
Forced	強制回收指定的代（以及低於它的全部代）
Optimized	只有在能釋放大量內存或者能減小碎片化的前提下，才執行回收。0000000000000000000000000000000

 

2.5 監視應用程序的內村官使用

21.3 使用須要特殊清理的類型

 包含本機資源的類型被GC時，GC會回收對象在託管堆中使用的內存。但這樣會形成本機資源的泄露。CLR提供了終結的機制，容許對象在被斷定爲垃圾以後，但在對象內存被回收以前執行一些代碼。任何包裝了本機資源（文件，網絡鏈接，套接字，互斥體）的類型都支持終結。CLR斷定一個對象不可達時，對象將終結它本身，釋放它包裝的本機資源。以後，GC會從託管堆回收對象。

 CriticalFinalizerObjectl類：

首次構造任何CriticalFinalizerObject派生類型的對象時，CLR當即對繼承層次結構的全部Finalize方法進行JIT編譯。

CLR是在調用了非CriticalFinlizerObject派生類型的Finalize方法以後，才調用CriticalFinalizerObject派生類型的Finalize方法。

若是AppDomain被一個宿主應用程序強行中斷，CLR將調用CriticalFinalizerObject派生類型的Finalize方法。

3.1 使用包裝了本機資源的類型

3.2 一個有趣的依賴性問題

3.3 GC爲本機資源提供的其餘功能

3.4 終結的內部工做原理

應用程序建立新對象時，new操做符會從堆中分配內存。若是對象的類型定義了Finalize方法，那麼在該類型的實例構造器被調用以前，會將指向該對象的指針放到一個終結列表中。終結列表是由垃圾回收器控制的一個內部數據結構。列表中的每一項都指向一個對象——回收該對象的內存前應調用它的Finalize方法。

3.5 手動監視和控制對象的生存期

CLR爲每一個AppDomain都提供了一個GC句柄表，容許應用程序監視或手動控制對象的生存期。這個表在AppDomain建立之初時空白的。表中每一個記錄項包含如下兩種信息：對託管堆中的一個對象的引用，以及指出若是監視或控制對象的標識。

GCHandleType枚舉類型：

Weak：該標誌容許監視對象的生存期。

WeakTrackResurrection：該標誌容許監視對象的生存期。

Normal：該標誌容許控制對象的生存期。

Pined：該標誌容許控制對象的生存期。

垃圾回收發生時，垃圾回收器的行爲：

1.垃圾回收器標記全部可達的對象。而後，垃圾回收器掃描GC句柄表：全部Normal或Pinned對象都被當作是根，同時標記這些對象（包括這些對象經過它們的字段引用的對象）。

2.垃圾回收器掃描GC句柄表，查找全部Weak記錄項。若是一個Weak記錄項引用了未標記的對象，該引用標識的就是不可達對象，該記錄項的引用值更改成null。

3.垃圾回收器掃描終結列表。在列表中，對未標記的引用標識的是不可達對象，這些引用從終結列表移至freachable隊列。這時對象會被標記，由於對象又變成可達了。

4.垃圾回收器掃描GC句柄表，查找全部WeakTrackResurrection記錄項。

5.垃圾回收器對內存進行壓縮，填補不可達對象留下的內存」空洞「，這其實就是一個內存碎片整理的過程。Pinned對象不會壓縮（移動），垃圾回收器會移動它周圍的其餘對象。