.NET垃圾回收 – 原理淺析

在開發.NET程序過程當中，因爲CLR中的垃圾回收（garbage collection）機制會管理已分配的對象，因此程序員就能夠不用關注對象何時釋放內存空間了。可是，瞭解垃圾回收機制仍是頗有必要的，下面咱們就看看.NET垃圾回收機制的相關內容。

建立對象

在C#中，咱們能夠經過new關鍵字建立一個引用類型的對象，好比下面一條語句。New關鍵字建立了一個Student類型的對象，這個新建的對象會被存放在託管堆中，而這個對象的引用會存放在調用棧中。（對於引用類型能夠查看，C#中值類型和引用類型）

Student s1 = new Student();

在C#中，當上面的Student對象被建立後，程序員就能夠不用關心這個對象何時被銷燬了，垃圾回收器將會在該對象再也不須要時將其銷燬。

當一個進程初始化後，CLR就保留一塊連續的內存空間，這段連續的內存空間就是咱們說的託管堆。.NET垃圾回收器會管理並清理託管堆，它會在必要的時候壓縮空的內存塊來實現優化，爲了輔助垃圾回收器的這一行爲，託管堆保存着一個指針，這個指針準確地只是下一個對象將被分配的位置，被稱爲下一個對象的指針（NextObjPtr）。爲了下面介紹垃圾回收機制，咱們先詳細看看new關鍵字都作了什麼。

new關鍵字

當C#編譯器遇到new關鍵字時，它會在方法的實現中加入一條CIL newobj命令，下面是經過ILSpy看到的IL代碼。

IL_0001: newobj instance void GCTest.Student::.ctor()

其實，newobj指令就是告訴CLR去執行下列操做：

• 計算新建對象所須要的內存總數
• 檢查託管堆，確保有足夠的空間來存放新建的對象
  • 若是空間足夠，調用類型的構造函數，將對象存放在NextObjPtr指向的內存地址
  • 若是空間不夠，就會執行一次垃圾回收來清理託管堆（若是空間依然不夠，就會報出OutofMemoryException）
• 最後，移動NextObjPtr指向託管堆下一個可用地址，而後將對象引用返回給調用者

按照上面的分析，當咱們建立兩個Student對象的時候，託管堆就應該跟下圖一致，NextObjPtr指向託管堆新的可用地址。

託管堆的大小不是無限制的，若是咱們一直使用new關鍵字來建立新的對象，託管堆就可能被耗盡，這時託管堆能夠檢測到NextObjPtr指向的空間超過了託管堆的地址空間，就須要作一次垃圾回收了，垃圾回收器會從託管堆中刪除不可訪問的對象

應用程序的根

垃圾回收器是如何肯定一個對象再也不須要，能夠被安全的銷燬？

這裏就要看一個應用程序根（application root）的概念。根（root）就是一個存儲位置其中保存着對託管堆上一個對象的引用，根能夠屬性下面任何一個類別：

• 全局對象和靜態對象的引用
• 應用程序代碼庫中局部對象的引用
• 傳遞進一個方法的對象參數的引用
• 等待被終結（finalize，後面介紹）對象的引用
• 任何引用對象的CPU寄存器

垃圾回收能夠分爲兩個步驟：

1. 標記對象
2. 壓縮託管堆

下面結合應用程序的根的概念，咱們來看看垃圾回收這兩個步驟。

標記對象

在垃圾回收的過程當中，垃圾回收器會認爲託管堆中的全部對象都是垃圾，而後垃圾回收器會檢查全部的根。爲此，CLR會創建一個對象圖，表明託管堆上全部可達對象。

假設託管堆中有A-G七個對象，垃圾回收過程當中垃圾回收器會檢查全部的對象是否有活動根。這個例子的垃圾回收過程能夠描述以下（灰色表示不可達對象）：

1. 當發現有根引用了託管堆中的對象A時，垃圾回收器會對此對象A進行標記
2. 對一個根檢測完畢後會接着檢測下一個根，執行步驟一種一樣的標記過程，標記對象B，在標記B時，檢測到對象B內又引用了另外一個對象E，則也對E進行標記；因爲E引用了G，一樣的方式G也會被標記
3. 重複步驟二，檢測Globales根，此次標記對象D

代碼中頗有可能多個對象中引用了同一個對象E，垃圾回收器只要檢測到對象E已經被標記過，則再也不對對象E內所引用的對象進行檢測，這樣作有兩個目的：一是提升性能，二是避免無限循環。

全部的根對象都檢查完以後，有標記的對象就是可達對象，未標記的對象就是不可達對象。

壓縮託管堆

繼續上面的例子，垃圾回收器將銷燬全部未被標記的對象，釋放這些垃圾對象所佔的內存，再把可達對象移動到這裏以壓縮堆。

注意，在移動可達對象以後，全部引用這些對象的變量將無效，接着垃圾回收器要從新遍歷應用程序的全部根來修改它們的引用。在這個過程當中若是各個線程正在執行，極可能致使變量引用到無效的對象地址，因此整個進程的正在執行託管代碼的線程是被掛起的。

通過了垃圾回收以後，全部的非垃圾對象被移動到一塊兒，而且全部的非垃圾對象的指針也被修改爲移動後的內存地址，NextObjPtr指向最後一個非垃圾對象的後面。

對象的代

當CLR試圖尋找不可達對象的時候，它須要遍歷託管堆上的對象。隨着程序的持續運行，託管堆可能愈來愈大，若是要對整個託管堆進行垃圾回收，勢必會嚴重影響性能。因此，爲了優化這個過程，CLR中使用了"代"的概念，託管堆上的每個對象都被指定屬於某個"代"（generation）。

"代"這個概念的基本思想就是，一個對象在託管堆上存在的時間越長，那麼它就更可能應該保留。託管堆中的對象能夠被分爲0、一、2三個代：

• 0代：從沒有被標記爲回收的新分配的對象
• 1代：在上一次垃圾回收中沒有被回收的對象
• 2代：在一次以上的垃圾回收後仍然沒有被回收的對象

下面仍是經過一個例子看看代這個概念（灰色表明不可達對象）：

1. 在程序初始化時，託管堆上沒有對象，這時候新添到託管堆上的對象是的代是0，這些對象歷來沒有通過垃圾回收器檢查。假設如今託管堆上有A-G七個對象，託管堆空間將要耗盡。

2. 若是如今須要更多的託管堆空間來存放新建的對象（H、I、J），CLR就會觸發一次垃圾回收。垃圾回收器就會檢查全部的0代對象，全部的不可達對象都會被清理，全部沒有被回收掉的對象就成爲了1代對象。

3. 假設如今須要更多的託管堆空間來存放新建的對象（K、L、M），CLR會再觸發一次垃圾回收。垃圾回收器會先檢查全部的0代對象，可是仍須要更多的空間，那麼垃圾回收器會繼續檢查全部 的1代對象，整理出足夠的空間。這時，沒有被回收的1代對象將成爲2代對象。2代對象是目前垃圾回收器的最高代，當再次垃圾回收時，沒有回收的對象的代數依然保持2。

經過前面的描述能夠看到，分代能夠避免每次垃圾回收都遍歷整個託管堆，這樣能夠提升垃圾回收的性能。

System.GC

.NET類庫中提供了System.GC類型，經過該類型的一些靜態方法，能夠經過編程的方式與垃圾回收器進行交互。

看一個簡單的例子：

class Student
{
    public int Id { get; set; }
    public string Name { get; set; }
    public int Age { get; set; }
    public string Gender { get; set; }
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Console.WriteLine("Estimated bytes on heap: {0}", GC.GetTotalMemory(false));

        Console.WriteLine("This OS has {0} object generations", GC.MaxGeneration);

        Student s = new Student { Id = 1, Name = "Will", Age = 28, Gender = "Male"};
        Console.WriteLine(s.ToString());

        Console.WriteLine("Generation of s is: {0}", GC.GetGeneration(s));

        GC.Collect();
        Console.WriteLine("Generation of s is: {0}", GC.GetGeneration(s));

        GC.Collect();
        Console.WriteLine("Generation of s is: {0}", GC.GetGeneration(s));

        Console.Read();
    }
}

程序的輸出爲：

從這個輸出，咱們也能夠驗證代的概念，每次垃圾清理後，若是一個對象沒有被清理，那麼它的代就會提升。

強制垃圾回收

因爲託管堆上的對象由垃圾管理器幫咱們管理，全部咱們不須要關心託管堆上對象的銷燬以及內存空間的回收。

可是，有些特殊的狀況下，咱們可能須要經過GC.Collect()強制垃圾回收：

1. 應用程序將要進入一段代碼，這段代碼不但願被可能的垃圾回收中斷
2. 應用程序剛剛分配很是多的對象，程序想在使用完這些對象後儘快的回收內存空間

在使用強制垃圾回收時，建議同時調用"GC.WaitForPendingFinalizers();"，這樣能夠肯定在程序繼續執行以前，全部的可終結對象都必須執行必要的清除工做。可是要注意，GC.WaitForPendingFinalizers()會在回收過程當中掛起調用的線程。

static void Main(string[] args)
{
    ……
    GC.Collect();
    GC.WaitForPendingFinalizers();
    ……
}

每一次垃圾回收過程都會損耗性能，因此要儘可能避免經過GC.Collect()進行強制垃圾回收，除非遇到了真的須要強制垃圾回收的狀況。

總結

本文介紹了.NET垃圾回收機制的基本工做過程，垃圾回收器經過遍歷託管堆上的對象進行標記，而後清除全部的不可達對象；在託管堆上的對象都被設置了一個代，經過了代這個概念，垃圾回收的性能獲得了優化。

下一篇咱們看看可終結對象（Finalize）和可處置對象（IDisposable）。