.Net Discovery 系列之七–深入理解.Net垃圾收集機制(拾貝篇) 發布在新年第一秒

    新年伊始，部落格園新年第一秒的第一篇文章，Net Discovery 系列之七--深入理解.Net垃圾收集機制(拾貝篇)，送給各位園友新年禮物，各位互勉，新年同樂，平安幸福！

    關於.Net垃圾收集器(Garbage Collection)，Aicken已經在“.Net Discovery 系列”文章中有2篇的涉及，這一篇文章是對上2篇文章的補充，關於“.Net Discovery 系列”文章索引請見本文結尾。

    第一節.記憶體回收演算法與完整收集(Full GC)

    垃圾收集器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，它使用“標記與清除”演算法，分兩步回收對象:

    Step 1.Mark-Sweep ：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，指明需要回收的對象，標記出那些存活的對象，予以標記。

    Step 2.Compact： 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，即完成了記憶體釋放工作，也解決了記憶體片段問題，這個過程也可以成為指標的壓縮。

    垃圾收集器一般將託管堆中的對象分為3代，這可以通過調用GC.MaxGeneration得知，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，第二代空間被稱作Large Object Heap，對於2代對象的回收，與第0、1代回收方式相比最大的不同在於，沒有了指標移動的壓縮過程。

      

                                  圖1 對象的回收

 

    如所示，左邊的地區為第一次GC時的結構，需要注意的是GC標記的是那些存活的對象，而不是需要回收的，所以第一次回收，對象B、D沒有被標記，所以被回收了，之後GC移動了對象記憶體指標，使空間連續。

    接下來看中間的部分，第二次GC開始了，C對象沒有被標記，所以被回收了，接下來A、D、F三個對象被壓縮，形成連續的記憶體空間，並且形成了第1、2、3代地區。

    接下來看最右邊的部分，D對象沒有被標記，由於D對象處於第2代中，所以回收D對象後，GC沒有啟動壓縮步驟，因為對於大對象的指標移動，資源耗費成本很高。

    對於第2代的GC稱為Full GC，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。

    可見一次Full GC需要的資源是最多的，可能是幾秒或十幾秒。

    託管堆的記憶體配置以段(Segment)為單位，CLR啟動時通常為GC Heap建立2個段，分別用來儲存第0、1代對象和第2代對象，以下是通過Windbg工具查看到的GC Heap情況：

 

圖2 WinDbg 查看GC Heap情況

    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。

    在理解方面需要注意的是，GC回收的是程式中的參考型別，實值型別是儲存在堆棧之中，當實值型別對象出了範圍後會自動釋放記憶體----即彈棧，不需要垃圾收集器管理。

    第二節.GC的工作模式

    GC的工作模式分3種，Workstation GC with Concurrent GC off、 Workstation GC with Concurrent GC on、Server GC ，在.Net 2.0以上版本可以通過修改Config檔案來改變GC工作模式，例如啟用Server GC：

 

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

 

    或者通過.Net組態工具，查看“我的電腦”節點屬性可以方便的改變GC工作模式，如：

 

圖3 GC工作模式

 

    Workstation GC without Concurrent: 用於單CPU的伺服器，策略引擎會調節GC工作頻率，使用掛起->尋找與標記->壓縮->恢複的流程進行GC工作。

    Workstation GC with Concurrent: Concurrent GC與Non Concurrent GC模式相比，有著更敏捷的反應速度，Winform應用程式和Windows services 服務程式預設採用這種模式，單CPU機器上只能使用workstation GC方式，預設為 Workstation GC with Concurrent。

    在這種模式下，第0、1代的收集仍然是要暫時掛起應用程式的，只有在收集第2代時，才會平行處理，這種並行收集是利用多CPU

對Full GC進行平行處理，具體原理是將Full GC過程切分成多個短暫子過程對線程進行凍結，線上程凍結時間之外，應用程式仍然可

以正常運行。這主要通過將0代空間設定的很大，使Full GC時，CLR仍然能夠在0代中進行記憶體配置，如果Full GC時0代記憶體也已用盡，那麼應用程式將被掛起，等待Full GC的完成。

    Server GC: 用於多CPU的伺服器，這種GC模式有著很高的效能和效率。這種模式下，CLR為每個CPU建立一個專用的GC線程，每個CPU可以獨立的為相應的heap執行GC操作，這些GC線程是以非並發的形式工作的，收集工作與線程正常工作不能同時進行，這就是說第0、1、2代的收集都會掛起應用線程。

    在.Net 4.0中，有一種新的垃圾收集機制，叫做後台收集。這種機制以concurrent GC為基礎的，如上文所講，Workstation GC with Concurrent模式中，在Full GC過程時，CLR仍然能夠在0代中進行記憶體配置，如果Full GC時0代記憶體也已用盡，那麼應用程式將被掛起，等待Full GC的完成。

    這個過程在後台收集機制中是這樣工作的，在進行Full GC時可以同時進行第0、1代收集，並且後台收集是一個獨立線程完成的，這個進程任務優先順序低於第0、1代收集，如果在後台收集中需要對第0、1代收集，後台收集將會等待第0、1代收集完成後再進行工

作，當然第0、1代收集是需要短暫掛起應用的。

    後台收集還會根據策略引擎的指示，動態調節第0、1代的容量，減少前台收集(第0、1代收集)次數。

    第三節 .Net 4.0中的垃圾收集器

    在.Net 3.5 SP1中，FrameWork中新增了如下方法，並且在4.0中進行了最佳化，GC.RegisterForFullGCNotification 、GC.WaitForFullGCApproach 、GC.WaitForFullGCComplete 、GC.CancelFullGCNotification，這幾個方法都是針對Full GC（完整收集）的。

1.GC.RegisterForFullGCNotification：這個方法將返回一個將要Full GC的訊號通知，該方法有2個參數：

  int maxGenerationThreshold
int largeObjectHeapThreshold
    這兩個參數的含義是指的是第2代中存活的對象個數和大對象堆中對象個數，滿足這兩個參數後，便會引發通知,由此看來LOH也許並不是第2代，.Net GC也許也並不只是3代，
這一點在.Net Discovery 系列之三--深入理解.Net垃圾收集機制(上)中已有描述。
2.GC.CancelFullGCNotification：取消已經註冊的垃圾收集通知
這兩個方法調用樣本：
代碼
// Variable for continual checking in the 
// While loop in the WaitForFullGCProc method.
static bool checkForNotify = false;

// Variable for suspending work 
// (such servicing allocated server requests)
// after a notification is received and then 
// resuming allocation after inducing a garbage collection.
static bool bAllocate = false;

// Variable for ending the example.
static bool finalExit = false;

// Collection for objects that  
// simulate the server request workload.
static List<byte[]> load = new List<byte[]>();


public static void Main(string[] args)
{
try
    {
// Register for a notification. 
        GC.RegisterForFullGCNotification(10, 10);
        Console.WriteLine("Registered for GC notification.");

        checkForNotify = true;
        bAllocate = true;

// Start a thread using WaitForFullGCProc.
        Thread thWaitForFullGC = new Thread(new ThreadStart(WaitForFullGCProc));
        thWaitForFullGC.Start();

// While the thread is checking for notifications in
// WaitForFullGCProc, create objects to simulate a server workload.
        try
        {
int lastCollCount = 0;
int newCollCount = 0;
while (true)
            {
if (bAllocate)
                {
                    load.Add(new byte[1000]);
                    newCollCount = GC.CollectionCount(2);
if (newCollCount != lastCollCount)
                    {
// Show collection count when it increases:
                        Console.WriteLine("Gen 2 collection count: {0}", GC.CollectionCount(2).ToString());
                        lastCollCount = newCollCount;
                    }

// For ending the example (arbitrary).
                    if (newCollCount == 500)
                    {
                        finalExit = true;
                        checkForNotify = false;
break;
                    }
                }
            }

        }
catch (OutOfMemoryException)
        {
            Console.WriteLine("Out of memory.");
        }
        finalExit = true;
        checkForNotify = false;
        GC.CancelFullGCNotification();

    }
catch (InvalidOperationException invalidOp)
    {

        Console.WriteLine("GC Notifications are not supported while concurrent GC is enabled.\n"
+ invalidOp.Message);
    }
}
 
 3.GC.WaitForFullGCApproach：用來獲得垃圾收集器是否將要啟動完整垃圾收集的工作，該方法返回GCNotificationStatus枚舉值，當枚舉為Succeeded時，
你應當做一些工作，例如阻止手動調用GC.Collect()方法，以免浪費資源。
該方法應與GC.WaitForFullGCComplete()同時使用，以確定CLR執行了完整垃圾收集。
代碼
// 查看是否將啟動完整收集
GCNotificationStatus s = GC.WaitForFullGCApproach();
if (s == GCNotificationStatus.Succeeded)
{
//do not GC.Collect()
}
else if (s == GCNotificationStatus.Canceled)
{
// GC.Collect()
}
 
 4.GC.WaitForFullGCComplete：
用來獲得垃圾收集器是否已經完成完整垃圾收集： 
代碼
GCNotificationStatus s = GC.WaitForFullGCApproach ();
s = GC.WaitForFullGCComplete ();
if (s == GCNotificationStatus.Succeeded)      //已經完成了Full GC
            {
//do not GC.Collect()
            }
else if(s == GCNotificationStatus.Canceled)
            {
// GC.Collect()
            }
 
 
我是李鳴(Aicken) 請您繼續關注我的下一篇文章。 
 
    “.Net Discovery 系列”推薦：
     .Net Discovery 系列之五--Me JIT(上)
     .Net Discovery 系列之六--Me JIT(下)
     .Net Discovery 系列之三--深入理解.Net垃圾收集機制(上)
     .Net Discovery 系列之四--深入理解.Net垃圾收集機制(下) 
     .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(下)