解析.NET記憶體回收(GC)原理

作為.NET進階內容的一部分，記憶體回收行程(簡稱GC)是必須瞭解的內容。本著“通俗易懂”的原則，本文將解釋CLR中記憶體回收行程的工作原理。

基礎知識

託管堆(Managed Heap)

先來看MSDN的解釋：初始化新進程時，運行時會為進程保留一個連續的地址空間地區。這個保留的地址空間被稱為託管堆。

“託管堆也是堆”，為什麼這樣說呢？這麼說是希望大家不要被“術語”迷惑，這個知識點的前提是“實值型別和參考型別的區別”。這裡假設讀者已經知道“實值型別儲存在棧中，參考型別儲存在堆中。(參考型別的引用儲存在棧中)”這一重要概念。所以，根據這個理論，除實值型別外，CLR要求所有資源都從託管堆分配。

託管堆維護著一個指標，這裡命名為NextObjPtr，它指向下一個對象在堆中的分配位置。

CPU寄存器(CPU Register)

這個是電腦基礎知識，這裡複習一下，有助於對下面“根”概念的理解。

CPU寄存器是CPU自己的”臨時儲存空間”,比記憶體的存取還快。按與CPU遠近來分，離得最近的是寄存器，然後緩衝(電腦一、二、三級緩衝)，最後記憶體。

根(Roots)

類中定義的任何靜態欄位，方法的參數，局部變數(僅限參考型別變數)等都是根，另外cpu寄存器中的對象指標也是根。根是CLR在堆之外可以找到的各種進入點。

對象可達與不可達(Objects reachable and unreachable)

如果一個根引用了堆中的一個對象，則該對象為“可達”，否則即是“不可達”。

記憶體回收的原因

從電腦群組成的角度來講，所有的程式都是要駐留在記憶體中啟動並執行。而記憶體是一個限制因素(大小)。除此之外，託管堆也有大小限制。如果託管堆沒有大小限制，那C#的執行速度要優於c了(託管堆的結構讓它有比c運行時堆更快的對象分配速度)。因為地址空間和儲存的限制因素，託管堆要通過記憶體回收機制，來維持它的正常運作，保證對象的分配，不會“記憶體溢出”。

記憶體回收的基本原理

回收分為兩個階段： 標記 –> 壓縮

標記的過程，其實就是判斷對象是否可達的過程。當所有的根都檢查完畢後，堆中將包含可達(已標記)與不可達(未標記)對象。

標記完成後，進入壓縮階段。在這個階段中，記憶體回收行程線性遍曆堆，以尋找不可達對象的連續記憶體塊。並把可達對象移動到這裡以壓縮堆。這個過程有點類似於磁碟空間的磁碟重組。

如所示，綠色框表示可達對象，黃色框為不可達對象。不可達對象清除後，移動可達對象實現記憶體壓縮(變得更緊湊)。

壓縮之後，“指向這些對象的指標”的變數和CPU寄存器現在都會失效，記憶體回收行程必須重新訪問所有根，並修改它們來指向對象的新記憶體位置。這會造成顯著的效能損失。這個損失也是託管堆的主要缺點。

基於以上特點，記憶體回收引發的回收演算法也是一項研究課題。因為如果真等到託管堆滿才開始執行記憶體回收，那就真的太“慢”了。

記憶體回收演算法 – 分代(Generation)演算法

代是CLR記憶體回收行程採用的一種機制，它唯一的目的就是提升應用程式的效能。分代回收，速度顯然快於回收整個堆。

CLR託管堆支援3代：第0代，第1代，第2代。第0代的空間約為256KB，第1代約為2M，第2代約為10M。新構造的對象會被分配到第0代，

如所示，當第0代的空間滿時，記憶體回收行程啟動回收，不可達對象(C、E)會被回收，存活的對象被歸為第1代。

當第0代空間已滿，第1代也開始有很多不可達對象以至空間將滿時，這時兩代垃圾都將被回收。存活下來的對象(可達對象)，第0代升為第1代，第1代升為第2代。

實際CLR的代回收機制更加“智能”，如果新建立的對象生存周期很短，第0代垃圾也會立刻被記憶體回收行程回收(不用等空間分配滿)。另外，如果回收了第0代，發現還有很多個物件“可達”，

並沒有釋放多少記憶體，就會增大第0代的預算至512KB，回收效果就會轉變為：記憶體回收的次數將減少，但每次都會回收大量的記憶體。如果還沒有釋放多少記憶體，記憶體回收行程將執行

完全回收(3代)，如果還是不夠，則會拋出“記憶體溢出”異常。

也就是說，記憶體回收行程會根據回收記憶體的大小，動態調整每一代的分配空間預算！達到自動最佳化！

總結

記憶體回收背後有這樣一個基本的觀念：程式設計語言(大多數的)似乎總能訪問無限的記憶體。而開發人員可以一直分配、分配再分配——像魔法一樣，取之不盡用之不竭。

.NET記憶體回收行程的基本工作原理是：通過最基本的標記清除原理，清除不可達對象；再像磁碟磁碟重組一樣壓縮、整理可用記憶體；最後通過分代演算法實現效能最佳化。