GC演算法與代齡

第一節. GC的演算法與工作方式

　　1.演算法

　　垃圾收集器的本質,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，回收相應的記憶體。

　　這聽起來類似於一種叫做“引用計數(Reference Counting)”的演算法，然而這種演算法需要遍曆所有對象，並維護它們的引用情況，所以效率較低些，並且在出現“環引用”時很容易造成記憶體泄露。所以.Net中採用了一種叫做“標記與清除(Mark Sweep)”演算法來完成上述任務。

　　“標記與清除”演算法，顧名思義，這種演算法有兩個本領：

　　“標記”本領——垃圾的識別：從應用程式的root出發，利用相互參考關聯性，遍曆其在Heap上動態分配的所有對象，沒有被引用的對象不被標記，即成為垃圾；存活的對象被標記，即維護成了一張“根-對象可達圖”。

　　其實，CLR會把對象關係看做“樹圖”，無疑，瞭解資料結構的同學都知道，有了“樹圖”的概念，會加快遍曆對象的速度。

　　檢測、標記對象引用，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，如此反覆直到棧變空為止。棧變空意味著已經遍曆了這個局部根(或者說是樹圖中的節點)能夠到達的所有對象。樹圖節點範圍包括局部變數(實際上局部變數會很快被回收，因為它的範圍很明顯、很好控制)、寄存器、靜態變數，這些元素都要重複這個操作。一旦完成，便逐個對象地檢查記憶體，沒有標記的對象變成了垃圾。

“清除”本領——回收記憶體：啟用Compact演算法，對記憶體中存活的對象進行移動，修改它們的指標，使之在記憶體中連續，這樣閒置記憶體也就連續了，這就解決了記憶體片段問題，當再次為新對象分配記憶體時，CLR不必在充滿片段的記憶體中尋找適合新對象的記憶體空間，所以分配速度會大大提高。但是大對象（large object heap）除外，GC不會移動一個記憶體中巨無霸，因為它知道現在的CPU不便宜。通常，大對象具有很長的生存期，當一個大對象在.NET託管堆中產生時，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效能。

　　Compact演算法除了會提高再次分配記憶體的速度，如果新分配的對象在堆中位置很緊湊的話，快取的效能將會得到提高，因為一起分配的對象經常被一起使用(程式的局部性原理)，所以為程式提供一段連續空白的記憶體空間是很重要的。

　　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，可以通過調用GC.MaxGeneration得知。

　　通常，GC會優先收集那些最近分配的對象(第0代)，這與作業系統經典記憶體換頁演算法“最近最少使用”演算法如出一轍。但是，這並不代表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數；第1代(1代空間最大長度通常為2 MB)是經過0代垃圾收集後仍然駐留在記憶體中的對象，它們通常是一些如表單，按鈕等對象；第2代是經曆過幾次垃圾收集後仍然駐留在記憶體中的對象，它們通常是一些應用程式物件。

　　當記憶體吃緊時(例如0代對象充滿)，GC便被調入執行引擎——也就是CLR——開始對第0代的空間進行標記與壓縮工作、回收工作，這通常小於1毫秒。如果回收後記憶體依然吃緊，那麼GC會繼續回收第1代(回收操作通常小於10毫秒)、第2代，當然GC有時並不是按照第0、1、2代的順序收集垃圾的，這取決於運行時的情況，或是手動調用GC.Collect(i)指定回收的代。當對第2代回收後任然無法獲得足夠的記憶體，那麼系統就會拋出OutOfMemoryException異常

　　當經過幾次GC過後，0代中的某個對象仍然存在，那麼它將被移動到第1代。同理，第1、2代也按同樣的邏輯運行。

　　這裡還要說的是，GC Heap中代的數量與容量，都是可變的(這由一個“策略引擎”控制，在第二節中，會介紹到“策略引擎”)， 以下代碼結合Windbg可以說明這個問題，以下代碼中，可以通過單擊按鈕“button1”，不斷的分配記憶體，而後獲得對象“a”的代齡情況，並且在Form載入時也會獲得“a”的代齡。

Code
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();
        }
}

　　程式剛載入時，“a”的代齡為第0代，通過windbg我們還獲得了以下資訊：

　　可以看出，GC堆被分成了兩個段，三代，每代起始地址十進位差值為12。

　　點擊數次“button1”按鈕後，“a”的代齡升為第2代，通過windbg我們又獲得了以下資訊：

　　這裡要注意一個很關鍵的地方，就是各代的起始(generation x starts at)十進位地址差值不再是12，0代與1代差為98904，1代與2代差為107908，這說明代的大小隨程式運行在改變，並且GC heap的大小也有變化。