.NET垃圾回收 – 原理浅析

在开发.NET程序过程中，由于CLR中的垃圾回收（garbage collection）机制会管理已分配的对象，所以程序员就可以不用关注对象什么时候释放内存空间了。但是，了解垃圾回收机制还是很有必要的，下面我们就看看.NET垃圾回收机制的相关内容。

创建对象

在C#中，我们可以通过new关键字创建一个引用类型的对象，比如下面一条语句。New关键字创建了一个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。（对于引用类型可以查看，C#中值类型和引用类型）

Student s1 = new Student();

在C#中，当上面的Student对象被创建后，程序员就可以不用关心这个对象什么时候被销毁了，垃圾回收器将会在该对象不再需要时将其销毁。

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我们说的托管堆。.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，我们先详细看看new关键字都做了什么。

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，下面是通过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去执行下列操作：

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

按照上面的分析，当我们创建两个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，如果我们一直使用new关键字来创建新的对象，托管堆就可能被耗尽，这时托管堆可以检测到NextObjPtr指向的空间超过了托管堆的地址空间，就需要做一次垃圾回收了，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

垃圾回收器是如何确定一个对象不再需要，可以被安全的销毁？

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，根可以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

垃圾回收可以分为两个步骤：

标记对象
压缩托管堆

下面结合应用程序的根的概念，我们来看看垃圾回收这两个步骤。

标记对象

在垃圾回收的过程中，垃圾回收器会认为托管堆中的所有对象都是垃圾，然后垃圾回收器会检查所有的根。为此，CLR会建立一个对象图，代表托管堆上所有可达对象。

假设托管堆中有A-G七个对象，垃圾回收过程中垃圾回收器会检查所有的对象是否有活动根。这个例子的垃圾回收过程可以描述如下（灰色表示不可达对象）：

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
对一个根检测完毕后会接着检测下一个根，执行步骤一种同样的标记过程，标记对象B，在标记B时，检测到对象B内又引用了另一个对象E，则也对E进行标记；由于E引用了G，同样的方式G也会被标记
重复步骤二，检测Globales根，这次标记对象D

代码中很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，则不再对对象E内所引用的对象进行检测，这样做有两个目的：一是提高性能，二是避免无限循环。

所有的根对象都检查完之后，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，垃圾回收器将销毁所有未被标记的对象，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，在移动可达对象之后，所有引用这些对象的变量将无效，接着垃圾回收器要重新遍历应用程序的所有根来修改它们的引用。在这个过程中如果各个线程正在执行，很可能导致变量引用到无效的对象地址，所以整个进程的正在执行托管代码的线程是被挂起的。

经过了垃圾回收之后，所有的非垃圾对象被移动到一起，并且所有的非垃圾对象的指针也被修改成移动后的内存地址，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，它需要遍历托管堆上的对象。随着程序的持续运行，托管堆可能越来越大，如果要对整个托管堆进行垃圾回收，势必会严重影响性能。所以，为了优化这个过程，CLR中使用了"代"的概念，托管堆上的每一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。托管堆中的对象可以被分为0、1、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

下面还是通过一个例子看看代这个概念（灰色代表不可达对象）：

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，这些对象从来没有经过垃圾回收器检查。假设现在托管堆上有A-G七个对象，托管堆空间将要耗尽。
如果现在需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所有的0代对象，所有的不可达对象都会被清理，所有没有被回收掉的对象就成为了1代对象。
假设现在需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所有的0代对象，但是仍需要更多的空间，那么垃圾回收器会继续检查所有的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。

通过前面的描述可以看到，分代可以避免每次垃圾回收都遍历整个托管堆，这样可以提高垃圾回收的性能。

System.GC

.NET类库中提供了System.GC类型，通过该类型的一些静态方法，可以通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 = , Name = "Will", Age = , 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，我们也可以验证代的概念，每次垃圾清理后，如果一个对象没有被清理，那么它的代就会提高。

强制垃圾回收

由于托管堆上的对象由垃圾管理器帮我们管理，所有我们不需要关心托管堆上对象的销毁以及内存空间的回收。

但是，有些特殊的情况下，我们可能需要通过GC.Collect()强制垃圾回收：

应用程序将要进入一段代码，这段代码不希望被可能的垃圾回收中断
应用程序刚刚分配非常多的对象，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();"，这样可以确定在程序继续执行之前，所有的可终结对象都必须执行必要的清除工作。但是要注意，GC.WaitForPendingFinalizers()会在回收过程中挂起调用的线程。

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

每一次垃圾回收过程都会损耗性能，所以要尽量避免通过GC.Collect()进行强制垃圾回收，除非遇到了真的需要强制垃圾回收的情况。

总结

本文介绍了.NET垃圾回收机制的基本工作过程，垃圾回收器通过遍历托管堆上的对象进行标记，然后清除所有的不可达对象；在托管堆上的对象都被设置了一个代，通过了代这个概念，垃圾回收的性能得到了优化。

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