.NET垃圾回收 – 原理浅析

在开发.NET程序过程当中，因为CLR中的垃圾回收（garbage collection）机制会管理已分配的对象，因此程序员就能够不用关注对象何时释放内存空间了。可是，了解垃圾回收机制仍是颇有必要的，下面咱们就看看.NET垃圾回收机制的相关内容。

建立对象

在C#中，咱们能够经过new关键字建立一个引用类型的对象，好比下面一条语句。New关键字建立了一个Student类型的对象，这个新建的对象会被存放在托管堆中，而这个对象的引用会存放在调用栈中。（对于引用类型能够查看，C#中值类型和引用类型）

Student s1 = new Student();

在C#中，当上面的Student对象被建立后，程序员就能够不用关心这个对象何时被销毁了，垃圾回收器将会在该对象再也不须要时将其销毁。

当一个进程初始化后，CLR就保留一块连续的内存空间，这段连续的内存空间就是咱们说的托管堆。.NET垃圾回收器会管理并清理托管堆，它会在必要的时候压缩空的内存块来实现优化，为了辅助垃圾回收器的这一行为，托管堆保存着一个指针，这个指针准确地只是下一个对象将被分配的位置，被称为下一个对象的指针（NextObjPtr）。为了下面介绍垃圾回收机制，咱们先详细看看new关键字都作了什么。

new关键字

当C#编译器遇到new关键字时，它会在方法的实现中加入一条CIL newobj命令，下面是经过ILSpy看到的IL代码。

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

其实，newobj指令就是告诉CLR去执行下列操做：

• 计算新建对象所须要的内存总数
• 检查托管堆，确保有足够的空间来存放新建的对象
  • 若是空间足够，调用类型的构造函数，将对象存放在NextObjPtr指向的内存地址
  • 若是空间不够，就会执行一次垃圾回收来清理托管堆（若是空间依然不够，就会报出OutofMemoryException）
• 最后，移动NextObjPtr指向托管堆下一个可用地址，而后将对象引用返回给调用者

按照上面的分析，当咱们建立两个Student对象的时候，托管堆就应该跟下图一致，NextObjPtr指向托管堆新的可用地址。

托管堆的大小不是无限制的，若是咱们一直使用new关键字来建立新的对象，托管堆就可能被耗尽，这时托管堆能够检测到NextObjPtr指向的空间超过了托管堆的地址空间，就须要作一次垃圾回收了，垃圾回收器会从托管堆中删除不可访问的对象

应用程序的根

垃圾回收器是如何肯定一个对象再也不须要，能够被安全的销毁？

这里就要看一个应用程序根（application root）的概念。根（root）就是一个存储位置其中保存着对托管堆上一个对象的引用，根能够属性下面任何一个类别：

• 全局对象和静态对象的引用
• 应用程序代码库中局部对象的引用
• 传递进一个方法的对象参数的引用
• 等待被终结（finalize，后面介绍）对象的引用
• 任何引用对象的CPU寄存器

垃圾回收能够分为两个步骤：

1. 标记对象
2. 压缩托管堆

下面结合应用程序的根的概念，咱们来看看垃圾回收这两个步骤。

标记对象

在垃圾回收的过程当中，垃圾回收器会认为托管堆中的全部对象都是垃圾，而后垃圾回收器会检查全部的根。为此，CLR会创建一个对象图，表明托管堆上全部可达对象。

假设托管堆中有A-G七个对象，垃圾回收过程当中垃圾回收器会检查全部的对象是否有活动根。这个例子的垃圾回收过程能够描述以下（灰色表示不可达对象）：

1. 当发现有根引用了托管堆中的对象A时，垃圾回收器会对此对象A进行标记
2. 对一个根检测完毕后会接着检测下一个根，执行步骤一种一样的标记过程，标记对象B，在标记B时，检测到对象B内又引用了另外一个对象E，则也对E进行标记；因为E引用了G，一样的方式G也会被标记
3. 重复步骤二，检测Globales根，此次标记对象D

代码中颇有可能多个对象中引用了同一个对象E，垃圾回收器只要检测到对象E已经被标记过，则再也不对对象E内所引用的对象进行检测，这样作有两个目的：一是提升性能，二是避免无限循环。

全部的根对象都检查完以后，有标记的对象就是可达对象，未标记的对象就是不可达对象。

压缩托管堆

继续上面的例子，垃圾回收器将销毁全部未被标记的对象，释放这些垃圾对象所占的内存，再把可达对象移动到这里以压缩堆。

注意，在移动可达对象以后，全部引用这些对象的变量将无效，接着垃圾回收器要从新遍历应用程序的全部根来修改它们的引用。在这个过程当中若是各个线程正在执行，极可能致使变量引用到无效的对象地址，因此整个进程的正在执行托管代码的线程是被挂起的。

通过了垃圾回收以后，全部的非垃圾对象被移动到一块儿，而且全部的非垃圾对象的指针也被修改为移动后的内存地址，NextObjPtr指向最后一个非垃圾对象的后面。

对象的代

当CLR试图寻找不可达对象的时候，它须要遍历托管堆上的对象。随着程序的持续运行，托管堆可能愈来愈大，若是要对整个托管堆进行垃圾回收，势必会严重影响性能。因此，为了优化这个过程，CLR中使用了"代"的概念，托管堆上的每个对象都被指定属于某个"代"（generation）。

"代"这个概念的基本思想就是，一个对象在托管堆上存在的时间越长，那么它就更可能应该保留。托管堆中的对象能够被分为0、一、2三个代：

• 0代：从没有被标记为回收的新分配的对象
• 1代：在上一次垃圾回收中没有被回收的对象
• 2代：在一次以上的垃圾回收后仍然没有被回收的对象

下面仍是经过一个例子看看代这个概念（灰色表明不可达对象）：

1. 在程序初始化时，托管堆上没有对象，这时候新添到托管堆上的对象是的代是0，这些对象历来没有通过垃圾回收器检查。假设如今托管堆上有A-G七个对象，托管堆空间将要耗尽。

2. 若是如今须要更多的托管堆空间来存放新建的对象（H、I、J），CLR就会触发一次垃圾回收。垃圾回收器就会检查全部的0代对象，全部的不可达对象都会被清理，全部没有被回收掉的对象就成为了1代对象。

3. 假设如今须要更多的托管堆空间来存放新建的对象（K、L、M），CLR会再触发一次垃圾回收。垃圾回收器会先检查全部的0代对象，可是仍须要更多的空间，那么垃圾回收器会继续检查全部 的1代对象，整理出足够的空间。这时，没有被回收的1代对象将成为2代对象。2代对象是目前垃圾回收器的最高代，当再次垃圾回收时，没有回收的对象的代数依然保持2。

经过前面的描述能够看到，分代能够避免每次垃圾回收都遍历整个托管堆，这样能够提升垃圾回收的性能。

System.GC

.NET类库中提供了System.GC类型，经过该类型的一些静态方法，能够经过编程的方式与垃圾回收器进行交互。

看一个简单的例子：

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();
    }
}

程序的输出为：

从这个输出，咱们也能够验证代的概念，每次垃圾清理后，若是一个对象没有被清理，那么它的代就会提升。

强制垃圾回收

因为托管堆上的对象由垃圾管理器帮咱们管理，全部咱们不须要关心托管堆上对象的销毁以及内存空间的回收。

可是，有些特殊的状况下，咱们可能须要经过GC.Collect()强制垃圾回收：

1. 应用程序将要进入一段代码，这段代码不但愿被可能的垃圾回收中断
2. 应用程序刚刚分配很是多的对象，程序想在使用完这些对象后尽快的回收内存空间

在使用强制垃圾回收时，建议同时调用"GC.WaitForPendingFinalizers();"，这样能够肯定在程序继续执行以前，全部的可终结对象都必须执行必要的清除工做。可是要注意，GC.WaitForPendingFinalizers()会在回收过程当中挂起调用的线程。

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

每一次垃圾回收过程都会损耗性能，因此要尽可能避免经过GC.Collect()进行强制垃圾回收，除非遇到了真的须要强制垃圾回收的状况。

总结

本文介绍了.NET垃圾回收机制的基本工做过程，垃圾回收器经过遍历托管堆上的对象进行标记，而后清除全部的不可达对象；在托管堆上的对象都被设置了一个代，经过了代这个概念，垃圾回收的性能获得了优化。

下一篇咱们看看可终结对象（Finalize）和可处置对象（IDisposable）。