系列文章導(dǎo)航：

.NET Discovery 系列之一--string從入門到精通(上)

.NET Discovery 系列之二--string從入門到精通(勘誤版下)

.NET Discovery 系列之三--深入理解.NET垃圾收集機(jī)制(上)

.NET Discovery 系列之四--深入理解.NET垃圾收集機(jī)制(下)

.NET Discovery 系列之五--Me JIT(上)

.NET Discovery 系列之六--Me JIT(下)

.NET Discovery 系列之七--深入理解.NET垃圾收集機(jī)制(拾貝篇)

　　前言：

　　組成.NET平臺一個很重要的部分----垃圾收集器(Garbage Collection)，今天我們就來講講它。想想看沒有GC，.NET還能稱之為一個平臺嗎？各種語言雖然都被編譯成MSIL，但是運行時的資源回收工作卻“各自為戰(zhàn)”，這樣不但增加了編程難度，也會使內(nèi)存管理工作變得復(fù)雜無比(不同語言處理內(nèi)存的微小差異，將在回收資源時被放大)，更也不利于平臺移植。

　　這篇文章將全面的為大家介紹.NET 垃圾收集的運行方式、算法，以及與垃圾收集相關(guān)的關(guān)鍵方法。

　　說到垃圾收集機(jī)制，很少有人知道，垃圾收集并不是伴隨Java出現(xiàn)的，早在1958年，圖林獎得主John發(fā)明的Lisp語言就已經(jīng)提供了GC的功能，這是GC的第一次出現(xiàn)，是思想的一次閃光！而后，1984年Dave Ungar發(fā)明的Small talk語言第一次正式采用了GC機(jī)制。

　　.NET的垃圾回收機(jī)制是個很大的話題，如果你沒接觸過類似C++那樣的語言，就很難理解GC是一個多么重要、令人興奮的東西：

　　1.提高軟件系統(tǒng)的內(nèi)聚。

　　2.降低編程復(fù)雜度，使程序員不必分散精力去處理析構(gòu)。

　　3.不妨礙設(shè)計師進(jìn)行系統(tǒng)抽象。

　　4.減少由于內(nèi)存運用不當(dāng)產(chǎn)生的Bug。

　　正文：

　　本文將通過“GC的算法與工作方式”、“GC關(guān)鍵方法解析”兩節(jié)來講述.NET垃圾收集機(jī)制。

　　第一節(jié). GC的算法與工作方式

　　1.算法

　　垃圾收集器的本質(zhì),就是跟蹤所有被引用到的對象，整理對象不再被引用的對象，回收相應(yīng)的內(nèi)存。

　　這聽起來類似于一種叫做“引用計數(shù)(Reference Counting)”的算法，然而這種算法需要遍歷所有對象，并維護(hù)它們的引用情況，所以效率較低些，并且在出現(xiàn)“環(huán)引用”時很容易造成內(nèi)存泄露。所以.NET中采用了一種叫做“標(biāo)記與清除(Mark Sweep)”算法來完成上述任務(wù)。

　　“標(biāo)記與清除”算法，顧名思義，這種算法有兩個本領(lǐng)：

　　“標(biāo)記”本領(lǐng)——垃圾的識別：從應(yīng)用程序的root出發(fā)，利用相互引用關(guān)系，遍歷其在Heap上動態(tài)分配的所有對象，沒有被引用的對象不被標(biāo)記，即成為垃圾；存活的對象被標(biāo)記，即維護(hù)成了一張“根-對象可達(dá)圖”。

　　其實，CLR會把對象關(guān)系看做“樹圖”，無疑，了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的同學(xué)都知道，有了“樹圖”的概念，會加快遍歷對象的速度。

　　檢測、標(biāo)記對象引用，是一件很有意思的事情，有很多方法可以做到，但是只有一種是效率最優(yōu)的，.NET中是利用棧來完成的，在不斷的入棧與出棧中完成檢測：先在樹圖中選擇一個需要檢測的對象，將該對象的所有引用壓棧，如此反復(fù)直到棧變空為止。棧變空意味著已經(jīng)遍歷了這個局部根(或者說是樹圖中的節(jié)點)能夠到達(dá)的所有對象。樹圖節(jié)點范圍包括局部變量(實際上局部變量會很快被回收，因為它的作用域很明顯、很好控制)、寄存器、靜態(tài)變量，這些元素都要重復(fù)這個操作。一旦完成，便逐個對象地檢查內(nèi)存，沒有標(biāo)記的對象變成了垃圾。

　　“清除”本領(lǐng)——回收內(nèi)存：啟用Compact算法，對內(nèi)存中存活的對象進(jìn)行移動，修改它們的指針，使之在內(nèi)存中連續(xù)，這樣空閑的內(nèi)存也就連續(xù)了，這就解決了內(nèi)存碎片問題，當(dāng)再次為新對象分配內(nèi)存時，CLR不必在充滿碎片的內(nèi)存中尋找適合新對象的內(nèi)存空間，所以分配速度會大大提高。但是大對象（large object heap）除外，GC不會移動一個內(nèi)存中巨無霸，因為它知道現(xiàn)在的CPU不便宜。通常，大對象具有很長的生存期，當(dāng)一個大對象在.NET托管堆中產(chǎn)生時，它被分配在堆的一個特殊部分中，移動大對象所帶來的開銷超過了整理這部分堆所能提高的性能。

　　Compact算法除了會提高再次分配內(nèi)存的速度，如果新分配的對象在堆中位置很緊湊的話，高速緩存的性能將會得到提高，因為一起分配的對象經(jīng)常被一起使用(程序的局部性原理)，所以為程序提供一段連續(xù)空白的內(nèi)存空間是很重要的。

　　2.代齡(Generation)

　　代齡就是對Heap中的對象按照存在時間長短進(jìn)行分代，最短的分在第0代，最長的分在第2代，第2代中的對象往往是比較大的。Generation的層級與FrameWork版本有關(guān)，可以通過調(diào)用GC.MaxGeneration得知。

　　通常，GC會優(yōu)先收集那些最近分配的對象(第0代)，這與操作系統(tǒng)經(jīng)典內(nèi)存換頁算法“最近最少使用”算法如出一轍。但是，這并不代表GC只收集最近分配的對象，通常，.NET GC將堆空間按對象的生存期長短分成3代：新分配的對象在第0代(0代空間最大長度通常為256K)，按地址順序分配，它們通常是一些局部變量；第1代(1代空間最大長度通常為2 MB)是經(jīng)過0代垃圾收集后仍然駐留在內(nèi)存中的對象，它們通常是一些如表單，按鈕等對象；第2代是經(jīng)歷過幾次垃圾收集后仍然駐留在內(nèi)存中的對象，它們通常是一些應(yīng)用程序?qū)ο蟆?/p>

　　當(dāng)內(nèi)存吃緊時(例如0代對象充滿)，GC便被調(diào)入執(zhí)行引擎——也就是CLR——開始對第0代的空間進(jìn)行標(biāo)記與壓縮工作、回收工作，這通常小于1毫秒。如果回收后內(nèi)存依然吃緊，那么GC會繼續(xù)回收第1代(回收操作通常小于10毫秒)、第2代，當(dāng)然GC有時并不是按照第0、1、2代的順序收集垃圾的，這取決于運行時的情況，或是手動調(diào)用GC.Collect(i)指定回收的代。當(dāng)對第2代回收后任然無法獲得足夠的內(nèi)存，那么系統(tǒng)就會拋出OutOfMemoryException異常。

　　當(dāng)經(jīng)過幾次GC過后，0代中的某個對象仍然存在，那么它將被移動到第1代。同理，第1、2代也按同樣的邏輯運行。

　　這里還要說的是，GC Heap中代的數(shù)量與容量，都是可變的(這由一個“策略引擎”控制，在第二節(jié)中，會介紹到“策略引擎”)， 以下代碼結(jié)合Windbg可以說明這個問題，以下代碼中，可以通過單擊按鈕“button1”，不斷的分配內(nèi)存，而后獲得對象“a”的代齡情況，并且在Form加載時也會獲得“a”的代齡。

public partial class Form1 : Form
{
        private string a = new string('a',1);
        public Form1()
        {
            InitializeComponent();
        }
        private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            a = new string('a', 900000);
            label1.Text = GC.GetGeneration(a).ToString();
        }
        private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
        {
            label1.Text = GC.GetGeneration(a).ToString();
        }
}        

        

        
        
      
        
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