[.NET] GC垃圾回收機制

前言：

在.NET程序開發中，爲了將開發人員從繁瑣的內存管理中解脫出來，將更多的精力花費在業務邏輯上，CLR提供了自動執行垃圾回收的機制來進行內存管理。開發人員甚至感受不到這一過程的存在。CLR執行垃圾回收的過程，有如下幾點：

• 如何判斷哪些對象是能夠進行回收的，哪些是要保留的？
• 對象在堆上是如何分佈的？什麼時候執行垃圾回收？
• 垃圾回收的過程如何進行的？有哪些優化策略？

判斷哪些對象須要進行回收

垃圾回收，第一步要判斷哪些對象須要被GC回收掉。簡而言之，那些在代碼的任何位置也沒法訪問到的對象是須要被GC回收掉的。

GC藉助於應用程序根(Application Roots)和對象圖(Object Graph)來判斷哪些對象須要被回收。應用程序根保存了堆上對象的引用，若是一個對象沒有直接或者間接的被應用程序根所引用，那麼就說明沒有任何代碼能夠訪問到它，所以這個對象能夠被回收。

應用程序根只是一個入口點，一個對象可能持有其餘一個或者多個對象的引用，這種對象間的引用關係構成了對象圖。每次建立新對象，在複製引用、刪除引用，或者執行垃圾回收以後，CLR都會自動更新它。

對象如何分配在堆上

.NET中的對象建立在託管堆上，託管堆維護着一個指針，這個指針標識了下一個將要建立的新對象所在位置，一般稱做新對象指針。該指針老是位於託管堆的末尾。當使用new運算符建立對象時，CLR將會執行下面幾個主要操做：

• 計算此對象所要分配的內存大小；
• 檢查託管堆，確保託管堆有足夠的空間來創建這個對象。若是空間夠，將會調用構造函數來建立對象，並在託管堆末尾建立對象，而後返回對象在託管堆上的引用。引用的地址即爲新對象指針所指向的地址。若是空間不夠，則會執行一次垃圾回收來釋放空間；
• 修改新對象指針的值，使它指向上一個可用的地址。

垃圾回收的執行過程

GC有許多算法，常見的算法有Reference Counting, Mark Sweep, Copy Collection等，目前主流的虛擬系統.NET CLR, Java VM都採用的Mark Sweep算法。Mark-Sweep標記清除階段：先假設Managed Heap中全部對象均可以被回收，而後找出不能回收的對象，給這些對象打上標記，最後Managed Heap中沒有打標記的對象均可以被回收。Compact壓縮階段：對象回收以後Managed Heap內存空間變得不連續，在Managed Heap中移動這些對象，使他們從新從Managed Heap基地址開始連續排列。

執行垃圾回收的時機：

• 當經過new關鍵字建立對象時，若是發現託管堆所佔用的內存已經達到一個臨界點，就會進行垃圾回收；
• 應用程序退出時也會執行一次垃圾回收；
• 調用System.GC.Collection()方法強制執行；

垃圾回收過程當中的優化策略

垃圾回收過程當中還採用了一些優化策略，主要時對象代(Object Generation)和大對象堆(Large Object Heap)

1. 對象代

對象共分了三個代級：

• 第0代：新近分配在託管堆上的對象，歷來沒有被GC回收過，任何一個新對象，當它第一次被分配在託管堆上時，就是第0代；
• 第1代：經歷過一次垃圾回收後，依然保留在堆上的對象；
• 第2代：經歷過兩次或者以上垃圾回收後，依然保留在堆上的對象。

當進行垃圾回收時，垃圾回收器將會首先檢查全部的第0代對象，並對其中可回收的對象進行清理。若是清理後得到足夠的空間，經歷過垃圾回收後的對象將提高爲第1代對象。

若是全部的第0代對象都檢查過了，可是內存空間還不夠，那麼將會檢查第1代對象的可訪問性，並進行垃圾回收。此時，若是經歷過垃圾回收的第1代對象仍保留在堆上，則會升級爲第2代對象。相似的，若是內存仍不夠用，將會對第2代對象進行檢查和垃圾回收。若是第2代的部分對象在這次垃圾回收後仍然保留在堆棧上，它依然是第2代對象。由於總共定義了3代對象。若是第2代對象在進行完垃圾回收後空間依然不夠用，則會拋出OutOfMemoryException異常。

可見，最容易清理掉的就是那些新對象。

2. 大對象堆

垃圾回收的過程當中有一個很影響性能的地方，就是在壓縮的過程當中，由於要批量地挪動對象，以填充騰出來的空間，若是對象很大，那麼要移動的數據量就會很大。

若是將大對象直接分配在第0代，那麼第0代的空間很快就會被佔滿，從而迫使CLR執行一次垃圾回收，這樣執行垃圾回收的次數就會變得很頻繁。

所以，第二個優化策略就是採用大對象堆，當對象大小超過85kb時，就會被分配在大對象堆上。大對象堆有幾個特色：

• 沒有代級的概念，全部對象都被視爲第2代對象；
• 不進行對象移動和空間壓縮，由於移動大對象是相對耗時的操做。
• 對象不會被分配在末尾，而會在鏈表中找合適的位置，所以會存在碎片問題。

至此，就對.NET GC有了一個基本的瞭解。感謝您的閱讀~