.net垃圾回收(GC)原理

作為.NET進階內容的一部分，垃圾回收器(簡稱GC)是必須了解的內容。本著「簡單易懂」的原則，本文將說明CLR中垃圾回收器的工作原理。

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位址空間區域。這個保留的位址空間稱為託管堆。

“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「值類型和引用類型的區別」。這裡假設讀者已經知道「值型別儲存在堆疊中，參考型別儲存在堆中。(引用型別的參考儲存在堆疊中)」這個重要概念。所以，根據這個理論，除值類型外，CLR要求所有資源都從託管堆分配。

託管堆維護一個指針，這裡命名為NextObjPtr，它指向下一個物件在堆中的分配位置。

CPU暫存器(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暫存器是CPU自己的”臨時記憶體”,比記憶體的存取還快。按與CPU遠近來分，離得最近的是暫存器，然後快取(電腦一、二、三級快取)，最後記憶體。

根(Roots)

類別中定義的任何靜態字段，方法的參數，局部變數(僅限引用型別變數)等都是根，另外cpu暫存器中的物件指標也是根。根是CLR在堆之外可以找到的各種入口點。

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”。

垃圾回收的原因

從電腦組成的角度來講，所有的程式都是要駐留在記憶體中運作的。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，那麼C#的執行速度要優於c了(託管堆的結構讓它有比c運行時堆更快的物件分配速度)。因為位址空間和儲存的限制因素，託管堆要通過垃圾回收機制，來維持它的正常運作，確保物件的分配，不會「記憶體溢出」。

垃圾回收的基本原理

回收分為兩個階段：  標記 –> 壓縮

標記的過程，其實就是判斷物件是否可達的過程。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)物件。

標記完成後，進入壓縮階段。在這個階段中，垃圾回收器線性的遍歷堆，以尋找不可達物件的連續記憶體區塊。並把可達物件移動到這裡以壓縮堆。這個過程有點類似磁碟空間的碎片整理。

如上圖所示，綠色框表示可達對象，黃色框為不可達對象。不可達到物件清除後，移動可達物件實現記憶體壓縮(變得更緊湊)。

壓縮之後，「指向這些物件的指標」的變數和CPU暫存器現在都會失效，垃圾回收器必須重新存取所有根，並修改它們來指向物件的新記憶體位置。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。

基於上述特點，垃圾回收引發的回收演算法也是一項研究主題。因為如果真等到託管堆滿才開始執行垃圾回收，那就真的太「慢」了。

垃圾回收演算法 – 分代(Generation)演算法

代是CLR垃圾回收器採用的一種機制，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256KB，第1代約2M，第2代約10M。新構造的物件會被分配到第0代，

如上圖所示，當第0代的空間滿時，垃圾回收器啟動回收，不可達物件(上圖C、E)會被回收，存活的對像被歸為第1代。

當第0代空間已滿，第1代也開始有很多不可達對像以至空間將滿時，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”，如果新創建的對像生存週期很短，第0代垃圾也會立刻被垃圾回收器回收(不用等空間分配滿)。另外，如果回收了第0代，發現還有很多物件“可達”，

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

完全回收(3代)，如果還是不夠，則會拋出“內存溢出”異常。

也就是說，垃圾回收器會根據回收記憶體的大小，動態的調整每一代的分配空間預算！達到自動優化！

總結

垃圾回收背後有這樣一個基本的觀念：程式語言(大多數的)似乎總是能存取無限的記憶體。而開發者可以一直分配、分配再分配──像魔法一樣，取之不盡用之不竭。

.NET垃圾回收器的基本工作原理是：透過最基本的標記清除原理，清除不可達物件；再像磁碟碎片整理一樣壓縮、整理可用記憶體；最後透過分代演算法實現效能最優化。