[.NET] GC垃圾回收机制

前言：

在.NET程序开发中，为了将开发人员从繁琐的内存管理中解脱出来，将更多的精力花费在业务逻辑上，CLR提供了自动执行垃圾回收的机制来进行内存管理。开发人员甚至感受不到这一过程的存在。CLR执行垃圾回收的过程，有如下几点：

• 如何判断哪些对象是能够进行回收的，哪些是要保留的？
• 对象在堆上是如何分布的？什么时候执行垃圾回收？
• 垃圾回收的过程如何进行的？有哪些优化策略？

判断哪些对象须要进行回收

垃圾回收，第一步要判断哪些对象须要被GC回收掉。简而言之，那些在代码的任何位置也没法访问到的对象是须要被GC回收掉的。

GC借助于应用程序根(Application Roots)和对象图(Object Graph)来判断哪些对象须要被回收。应用程序根保存了堆上对象的引用，若是一个对象没有直接或者间接的被应用程序根所引用，那么就说明没有任何代码能够访问到它，所以这个对象能够被回收。

应用程序根只是一个入口点，一个对象可能持有其余一个或者多个对象的引用，这种对象间的引用关系构成了对象图。每次建立新对象，在复制引用、删除引用，或者执行垃圾回收以后，CLR都会自动更新它。

对象如何分配在堆上

.NET中的对象建立在托管堆上，托管堆维护着一个指针，这个指针标识了下一个将要建立的新对象所在位置，一般称做新对象指针。该指针老是位于托管堆的末尾。当使用new运算符建立对象时，CLR将会执行下面几个主要操做：

• 计算此对象所要分配的内存大小；
• 检查托管堆，确保托管堆有足够的空间来创建这个对象。若是空间够，将会调用构造函数来建立对象，并在托管堆末尾建立对象，而后返回对象在托管堆上的引用。引用的地址即为新对象指针所指向的地址。若是空间不够，则会执行一次垃圾回收来释放空间；
• 修改新对象指针的值，使它指向上一个可用的地址。

垃圾回收的执行过程

GC有许多算法，常见的算法有Reference Counting, Mark Sweep, Copy Collection等，目前主流的虚拟系统.NET CLR, Java VM都采用的Mark Sweep算法。Mark-Sweep标记清除阶段：先假设Managed Heap中全部对象均可以被回收，而后找出不能回收的对象，给这些对象打上标记，最后Managed Heap中没有打标记的对象均可以被回收。Compact压缩阶段：对象回收以后Managed Heap内存空间变得不连续，在Managed Heap中移动这些对象，使他们从新从Managed Heap基地址开始连续排列。

执行垃圾回收的时机：

• 当经过new关键字建立对象时，若是发现托管堆所占用的内存已经达到一个临界点，就会进行垃圾回收；
• 应用程序退出时也会执行一次垃圾回收；
• 调用System.GC.Collection()方法强制执行；

垃圾回收过程当中的优化策略

垃圾回收过程当中还采用了一些优化策略，主要时对象代(Object Generation)和大对象堆(Large Object Heap)

1. 对象代

对象共分了三个代级：

• 第0代：新近分配在托管堆上的对象，历来没有被GC回收过，任何一个新对象，当它第一次被分配在托管堆上时，就是第0代；
• 第1代：经历过一次垃圾回收后，依然保留在堆上的对象；
• 第2代：经历过两次或者以上垃圾回收后，依然保留在堆上的对象。

当进行垃圾回收时，垃圾回收器将会首先检查全部的第0代对象，并对其中可回收的对象进行清理。若是清理后得到足够的空间，经历过垃圾回收后的对象将提高为第1代对象。

若是全部的第0代对象都检查过了，可是内存空间还不够，那么将会检查第1代对象的可访问性，并进行垃圾回收。此时，若是经历过垃圾回收的第1代对象仍保留在堆上，则会升级为第2代对象。相似的，若是内存仍不够用，将会对第2代对象进行检查和垃圾回收。若是第2代的部分对象在这次垃圾回收后仍然保留在堆栈上，它依然是第2代对象。由于总共定义了3代对象。若是第2代对象在进行完垃圾回收后空间依然不够用，则会抛出OutOfMemoryException异常。

可见，最容易清理掉的就是那些新对象。

2. 大对象堆

垃圾回收的过程当中有一个很影响性能的地方，就是在压缩的过程当中，由于要批量地挪动对象，以填充腾出来的空间，若是对象很大，那么要移动的数据量就会很大。

若是将大对象直接分配在第0代，那么第0代的空间很快就会被占满，从而迫使CLR执行一次垃圾回收，这样执行垃圾回收的次数就会变得很频繁。

所以，第二个优化策略就是采用大对象堆，当对象大小超过85kb时，就会被分配在大对象堆上。大对象堆有几个特色：

• 没有代级的概念，全部对象都被视为第2代对象；
• 不进行对象移动和空间压缩，由于移动大对象是相对耗时的操做。
• 对象不会被分配在末尾，而会在链表中找合适的位置，所以会存在碎片问题。

至此，就对.NET GC有了一个基本的了解。感谢您的阅读~