【C#进阶系列】21 托管堆和垃圾回收

托管堆基础

一般创建一个对象就是通过调用IL指令newobj分配内存，然后初始化内存，也就是实例构造器时做这个事。

然后在使用完对象后，摧毁资源的状态以进行清理，然后由垃圾回收器来释放内存。

托管堆除了能避免错误使用已经被释放的内存，也会减少内存泄漏，大多数类型都无需资源清理，垃圾回收器会自动释放资源。

当然也有需要立即清理的，比如一些包含了本机资源的类型（如文件、套接字和数据库连接等），可在这些类中调用一个Dispose方法。（当然有的类对这个方法封装了一下，可能是别的名字比如断开数据库连接的close）

在托管堆上分配资源

CLR要求所有对象都从托管堆分配。

进程初始化时，CLR划出一个地址空间区域作为托管堆。CLR还维护一个指针，即NextObjPtr。该指针指向下一个对象在堆中的分配未知。

一个区域被非垃圾对象填满后，CLR会分配更多的区域，这个过程不断重复，直到整个进程地址空间都被填满。32位进程最多分配1.5G，64位进程最多分配8TB。

当创建一个对象时，首先会计算该对象类型字段（包括基类）所需字节数，加上对象的开销所需的字节数（即类型对象指针和同步块索引）。

然后CLR会检查区域中是否有分配对象所需字节数大小的内存。如果托管堆有，那么就在NextObjPtr指向的地址放入对象，且NextObjPtr会加上对象占用的字节数得到新值，即下个对象放入时的地址。

通过垃圾回收器（GC）回收资源

CLR在创建对象时发现没有足够内存分配该对象，那么就会执行垃圾回收。

CLR在进行垃圾回收时，首先会暂停所有线程，

标记阶段：然后CLR会遍历堆中所有的引用对象，将同步块索引字段中的一位设为0，表示所有对象都要删除。然后检查所有的活动根（即所有引用类型的字段以及方法的参数和局部变量），查看它们引用了哪些对象。任何根引用了堆上的对象，那么CLR就标记那个对象，将同步块索引字段中的位设为1，如果对象已经被标记为1了，那么就不再重新检查对象的字段。标记为1的也就是被引用的对象，称为可达的，标记为0的就是不可达的。此时CLR就知道了哪些对象可以删除，哪些对象不能删除。

压缩阶段：CLR对堆中已标记的对象进行搬移内存位置（且对象所有的根的引用也自然会跟着变动），使得被标记的对象紧密相连，即占用连续的内存空间。这样不仅减小了应用程序的工作集，从而提升了访问性能，还得到了大量的未占用内存空间，并且解决了内存碎片化的问题。

最后，恢复所有线程。

静态字段引用的对象一直存在，直到用于加载类型的AppDomain卸载为止。内存泄漏的一个常见原因就是让静态字段引用某个集合对象，然后不停地往集合添加数据项。静态字段使集合对象一直存活，而集合对象使所有数据项一直存活。因此应该尽量避免使用静态字段。（或者参照前面的玩法，当我们不用静态变量的时候，可以立马置为null，那么垃圾就会被回收）。

有一个神奇的垃圾回收特例——Timer。原因是它会每隔一段时间去调用回调函数，但是根据之前学的垃圾回收玩法可以知道当Timer的变量离开了作用域，且没有其它函数引用了Timer对象，那么在垃圾回收时Timer就会被回收掉。也就不会去执行回调函数了。（所以说慎用Timer，这里有这么一个大坑）

代：提升性能

CLR的GC是基于代的垃圾回收器。它对代码做了如下假设：

• 对象越新，生存期越短
• 对象越老，生存期越长
• 回收堆的一部分，速度快于回收整个堆

第0代：新添加到堆的对象称为第0代对象，垃圾回收器从未检查过它们。

第1代：第0代对象经过一次垃圾回收，但是并没有被当做垃圾释放掉，那么就会在压缩阶段一起放入第1代对象区域。

第2代：第1代对象又经过了一次垃圾回收，但是并没有被当做垃圾释放掉，那么就会在压缩阶段一起放入第2代对象区域。没有第3代，第2代放着的就是经过了2次和2次以上垃圾回收的对象。

第0代内存区域满了就会进行垃圾回收，此时不仅会回收第0代的区域，还会去判断第1代区域是否也满了，满了也回收第1代，不满的话即时第1代里面有不可达的对象，那么也不会回收第1代。

CLR初始化时，会为这三代分别选择内存预算，以此判断什么时候该回收了。但是CLR的垃圾回收器是自调节的。

也就是说

如果垃圾回收器发现第0代回收后存活下来的对象很少，那么就会减少第0代的预算，这样的话垃圾回收就会发生得更频繁了，然而垃圾回收器每次做的事更少了，这减小了工作集。如果没有一个存活的话，连压缩都免了。

如果垃圾回收器发现第0代回收后存活下来的对象很多，那么就会加大第0代的预算，这样的话垃圾回收就会发生得不频繁了，然而垃圾回收器每次回收的内存要多得多。（如果没有回收到足够的内存，那么垃圾回收器会执行一次完整回收，如果还是没有足够内存，那么就会抛出OutOfMemoryException异常）。

上面是用第0代举例，第1、2代也如是。 

垃圾回收触发条件

CLR在检测第0代超过预算时会触发一次GC，这是GC最常见的触发条件，还有其它的触发如下：

• 代码显示调用System.GC的静态Collect方法
• Windows报告低内存情况
• CLR正在卸载AppDomain
• CLR正在关闭

大对象

CLR将对象分为大对象和小对象，以85000字节为界限。

大对象不是在小对象的地址空间分配，而是在进程地址空间的其它地方分配。

目前版本的GC不压缩大对象，因为在内存中移动它们代价过高。（可能会造成空间碎片）

大对象总是第2代，所以只能为需要长时间存活的资源生成大对象，否则若短时间存活的大对象放在第二代中，因为之前讲到一次回收过多内存，就会将代的预算减少，导致更频繁回收第2代，会损害性能。

垃圾回收模式

CLR启动时会选择一个GC模式，进程终止前该模式不会改变：

• 工作站模式
  • 该模式针对客户端应用程序优化GC。GC造成延时很低，应用程序线程挂起时间很短，避免使用户感到焦虑。在该模式下，GC假定机器上运行的其它应用程序都不会消耗太多的CPU资源。 
• 服务器模式
  • 该模式针对服务器端应用程序优化GC。被优化的主要是吞吐量和资源利用。GC假定机器上没有运行其它应用程序，并假定机器上所有的CPU都可以用来辅助完成GC。该模式造成托管堆被分为几个区域（section），每个CPU一个。开始垃圾回收时，垃圾回收器在每个CPU上都运行一个特殊线程，每个线程和其他线程并发回收它自己的区域。对于工作者线程（worker thread）行为一致的服务器应用程序，并发回收能很好地进行。这个功能要求应用程序在多CPU计算机上运行，使线程能真正地同时工作吗，从而获得性能上的提升。

应用程序默认以工作站GC模式运行。寄宿了CLR的服务器应用程序（比如ASP.NET和Sql Server）可请求CLR加载“服务器”GC，但如果是单处理器计算机上运行，CLR将总是使用工作站GC模式。

独立应用程序可在配置文件中，加上下面配置项告诉CLR使用服务器模式：

<configuration>
  <runtime>
    <gcServer enabled="true"/>
  </runtime>
</configuration>

除了这两种模式，GC还支持两种子模式：并发（默认）和非并发。

在并发模式下，GC有一个额外线程，能在运行时并发标记对象。

而由另一个线程去判断是否压缩对象，GC可以更倾向于决定不压缩，有利于增强性能，但会增大应用程序工作集。使用并发垃圾回收器，消耗的内存比非并发更多。

加上以下配置项告诉CLR使用非并发模式：

<configuration>
  <runtime>
    <gcConcurrent enabled="false"/>
  </runtime>
</configuration>

使用需要特殊清理的类型

大多数类型只需要内存就可以了，然而有的类型还需要本机资源。比如System.IO.FileStream类型需要打开一个文件（本机资源）并保存文件的句柄。

包含本机资源的类型被GC时，GC会回收对象在托管堆中使用的内存。但这样会造成本机资源（GC对它一无所知）的泄漏，所以CLR提供了称为终结的机制，允许对象在被判定为垃圾之后，但在对象内存被回收之前执行一些代码。

任何包装了本机资源（文件，网络连接，套接字，互斥体）的类型都支持终结。CLR判定一个对象不可达时，对象将终结它自己，释放它包装的本机资源。之后GC会从托管堆回收对象。

C#的语法，跟析构函数差不多，但是所代表的意义不同

 public class Troy {
        ~Troy() {
            //这里的代码就是垃圾回收前执行的代码，这段代码会被放在一个try块中，而finally部分放的是base.Finalize
        }
    }

这个语法最后在IL代码里还是生成一个叫Finalize的方法。

被视为垃圾的对象在垃圾回收完毕后才调用Finalize方法，所以这些对象的内存不是马上被回收，因为Finalize方法可能要执行访问字段的代码。

可终结对象在回收时必须存活，造成它被提升到另一代，使对象活得比正常时间长。这增大了内存耗用，所以应尽量避免终结。

终结的内部原理

在创建新对象的时候，会在堆中分配内存。如果对象的类型定义了Finalize方法，那么在该类型的实例构造器被调用之前，会将指向该对象的指针放入到一个终结列表里。

终结列表是一个由垃圾回收器控制的内部数据结构，列表的每一项都指向一个个对象——回收该对象的内存前应调用它的Finalize方法。

在每次要回收垃圾对象时标记阶段走完都会去扫描终结列表，如果存在垃圾对象的引用，该引用被移除终结列表，并附加到freachable队列。（此时对象将不再被认为是垃圾，不能回收其内存，被称为对象复活了）

freachable队列也是垃圾回收器的一个内部数据结构，队列中的每个引用所指向的对象都已经准备好调用Finalize方法了。

CLR用一个特殊的、高优先级的专用线程调用Finalize方法来避免死锁。

如果freachable队列为空，那么此线程睡眠，一旦不为空，此线程会被唤醒，将每一项都从队列中移除，并且同时调用每个对象的Finalize方法。

然后进入压缩阶段，将这些复活的对象提升到下一代。

然后清空freachable队列，并执行每个对象的Finalize方法。

到了下次执行垃圾回收时，因为终结列表已经没有这些对象的指针了，所以现在它们被认为是真正的垃圾了，也就会被释放。

整个过程中，执行了两次垃圾回收才释放掉内存，在实际的过程中，由于对象可能被提升至另一代，所以可能要求不止进行两次垃圾回收。

手动监视和控制对象的生存期

CLR为每个AppDomain都提供了一个GC句柄表，允许应用程序监视和手动控制对象的生存期。这个就太6了，感觉用不到，用得到的时候回来再看吧。

 

PS：

最近两章效率真是慢，一方面因为双休没看书和一些突发状况，另一方面也是因为已经开始了CLR的核心机制之旅，里面的很多东西确实没听过，感觉难度开始增大了。

在此过程中键盘莫名其妙坏了，并且两次关机废了写了一半的博客。今天才发现原来强行关机后再开机，浏览器中写了一半的博客是可以恢复的。