托管堆和垃圾回收（GC）

2024-01-21 15:07:34

一、基础

首先，为了深入了解垃圾回收（GC），我们要了解一些基础知识：

CLR：Common Language Runtime，即公共语言运行时，是一个可由多种面向CLR的编程语言使用的“运行时”，包括内存管理、程序集加载、安全性、异常处理和线程同步等核心功能。
托管进程中的两种内存堆：
- 托管堆：CLR维护的用于管理引用类型对象的堆，在进程初始化时，由CLR划出一个地址空间区域作为托管堆。当区域被非垃圾对象填满后，CLR会分配更多的区域，直到整个进程地址空间（受进程的虚拟地址空间限制，32位进程最多分配1.5GB，而64位最多可分配8TB）被填满。
- 本机堆：由名为VirtualAlloc的Windows API分配的，用于非托管代码所需的内存。
NextObjPtr：CLR维护的一个指针，指向下一个对象在堆中的分配位置。初始为地址空间区域的基地址。
CLR将对象分为大对象和小对象，两者分配的地址空间区域不同。我们下方的讲解更关注小对象。
- 大对象：大于等于85000字节的对象。“85000”并非常数，未来可能会更改。
- 小对象：小于85000字节的对象。

然后明确几个前提：

CLR要求所有引用类型对象都从托管堆分配。
C#是运行于CLR之上的。

C#new一个新对象时，CLR会执行以下操作：

计算类型的字段（包括从基类继承的字段）所需的字节数。
加上对象开销所需的字节数。每个对象都有两个开销字段：类型对象指针和同步块索引，32位程序为8字节，64位程序为16字节。
CLR检查托管堆是否有足够的可用空间，如果有，则将对象放入NextObjPtr指向的地址，并将对象分配的字节清零。接着调用构造器，对象引用返回之前，NextObjPtr加上对象真正占用的字节数得到下一个对象的分配位置。

弄清楚以上知识点后，我们继续来了解CLR是如何进行“垃圾回收”的。

二、垃圾回收的流程

我们先来看垃圾回收的算法与主要流程：
算法：引用跟踪算法。因为只有引用类型的变量才能引用堆上的对象，所以该算法只关心引用类型的变量，我们将所有引用类型的变量称为根。
主要流程：
1.首先，CLR暂停进程中的所有线程。防止线程在CLR检查期间访问对象并更改其状态。
2.然后，CLR进入GC的标记阶段。
a. CLR遍历堆中的对象（实际上是某些代的对象，这里可以先认为是所有对象），将同步块索引字段中的一位设为0，表示对象是不可达的，要被删除。
b. CLR遍历所有根，将所引用对象的同步块索引位设为1，表示对象是可达的，要保留。
3.接着，CLR进入GC的碎片整理阶段。
a. 将可达对象压缩到连续的内存空间（大对象堆的对象不会被压缩）
b. 重新计算根所引用对象的地址。
4.最后，NextObjPtr指针指向最后一个可达对象之后的位置，恢复应用程序的所有线程。

三、垃圾回收的具体细节

CLR的GC是基于代的垃圾回收器，它假设：

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

托管堆最多支持三代对象：

第0代对象：新构造的未被GC检查过的对象
第1代对象：被GC检查过1次且保留下来的对象
第2代对象：被GC检查大于等于2次且保留下来的对象

第0代回收只会回收第0代对象，第1代回收则会回收第0代和第1代对象，而第2代回收表示完全回收，会回收所有对象。

CLR初始化时，会为第0代和第1代对象选择一个预算容量（单位：KB）。如下图，CLR为ABCD四个第0代对象分配了空间，如果创建一个新的对象导致第0代容量超过预算时，CLR会进行GC。

A₀	B₀	C₀（不可达）	D₀

GC后的堆如下图，ABD三个对象提升为第1代对象，此时无第0代对象

A₁	B₁	D₁

假设程序继续执行到某个时刻时，托管堆如下，其中FGHIJ为第0代对象

A₁	B₁	D₁（不可达）	F₀	G₀（不可达）	H₀	I₀	J₀

根据GC假设的前两条可知，它会优先检查第0代对象，那么GC第0代回收后的托管堆如下，FHIJ提升为第1代对象

A₁	B₁	D₁（不可达）	F₁	H₁	I₁	J₁

随着第1代的增加，GC会发现其占用了太多内存，所以会同时检查第0代和第1代对象，如某个时刻的托管堆如下，其中K为第0代对象

A₁	B₁	D₁（不可达）	F₁	H₁（不可达）	I₁	J₁	K₀

GC第1代回收后的托管堆如下，其中ABFIJ都为第2代对象,K为第1代对象。

A₂	B₂	F₂	I₂	J₂	K₁

还有一些额外的规则需要注意：

在进行第1代回收之前，一般都已经对第0代对象回收了好几次了。
如果对象提升到了第2代，它会长期保持存活，基本上只有当GC进行完全垃圾回收（包括0、1、2代的对象）时才会进行回收。
如果GC回收第0代时发现回收了大量内存，则会缩减第0代的预算，这意味着GC更频繁，但做的事情也减少了；反之，如果发现没有多少内存被回收，就会增大第0代的预算，这意味着GC次数更少，但每次回收的内存相对要多。对于第1代和第2代对象来说，也是如此。
如果回收后发现仍然没有得到足够的内存且无法增大预算，GC就会执行一次完全垃圾回收，如果还不够，就会抛出OutOfMemoryException异常。

四、何时进行垃圾回收

应用程序new一个对象时，CLR发现没有足够的第0代对象预算来分配该对象时
代码显式调用System.GC.Collect()方法时。注意不要滥用该方法
Windows报告低内存情况时
CLR正在卸载AppDomain时。会回收该AppDomain的所有代对象
CLR正在关闭时。CLR在进程正常终止（而不是通过任务管理器等外部终止）时关闭，会回收进程中的所有对象。

五、垃圾回收模式

CLR启动时，会选择一个GC主模式，该模式不会更改，直到进程终止。

工作站：默认的，针对客户端应用程序进行优化。GC造成的时延很低，不会导致UI线程出现明显的假死状态
服务器：针对服务器端应用程序进行优化，主要是优化吞吐量和资源利用。

可以在配置文件中告诉CLR使用服务器回收模式：

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

另外，GC还支持两种子模式：并发（默认）和非并发。主要区别在于并发模式中GC有一个额外的后台线程，它能在应用程序运行时并发标记对象。可以在配置文件中告诉CLR不要使用并发回收模式：

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

当然，你也可以通过GCSetting类的GCLatencyMode属性对垃圾回收进行某些控制（在你没有完全了解影响的情况下，强烈建议不要更改）：

模式	说明
Batch	关闭并发GC，.net framework 版本服务器模式默认值
Interactive	打开并发GC，工作站模式与 .net core 版本服务器模式的默认值
LowLatency	在短期的、时间敏感的操作中（如动画绘制）使用这个低延迟模式，该模式会尽力阻止第2代垃圾回收，因为花费时间较多，只有当内存过低时才会回收第2代。
SustainedLowLatency	这个低延迟模式不会导致长时间的GC暂停，该模式会尽力阻止非并发GC线程对第2代垃圾回收（但是允许后台GC线程对其的回收），只有当内存过低时才会阻塞回收第2代，适用于需要迅速响应的应用程序（如股票等）。

另外，还有一个模式叫做NoGCRegion，用于在程序执行关键路径时将GC线程挂起。但是你不能将该值直接赋值给GCLatencyMode属性，要通过调用System.GC.TryStartGCRegion方法才可以，并调用System.GC.EndGCRegion方法结束。

六、注意事项

静态字段引用的对象会一直存在，直到用于加载类型的AppDomain卸载为止
由于碎片整理的开销相对较大，因此GC在划算时才会进行碎片整理，并非每次都会执行。
大对象始终为第2代，而且目前版本GC不会压缩大对象，因为移动代价过高。
第0代和第1代总是位于同一个内存段，而第2代可能跨越多个内存段。

七、特殊的Finalize（终结器）

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的泄漏，为了处理这种情况，CLR提供了称为终结的机制——允许对象在判定为垃圾之后，但在对象内存被回收前执行一些代码。在C#中的表示如下：

class SomeType
{
    // 这是一个 Finalize 方法
    ~SomeType() { }
}

其生成的IL代码为：

可以看到，C#编译器实际是在模块的元数据中生成了名为Finalize的protected override方法，并且方法主体的代码被放置在try块中，并在finally块中调用base.Finalize（本例调用了Object的终结器）。

那么，终结的内部是如何工作的呢？

new新对象时，如果该对象的类型定义了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到一个终结列表中，该列表由GC内部控制。
当可终结对象被回收时，会将引用从终结列表移动到freachable队列中，该队列由GC内部控制。
CLR会启用一个特殊的高优先级线程来专门调用Finalze方法。freachable队列为空时，该线程将睡眠；但一旦队列中有记录项出现，线程就会被唤醒，将每一项都从freachable队列中移除，并调用每个对象的Finalize方法。

如果类型的Finalize方法是从System.Object继承的，CLR就不认为该对象是“可终结”的，只有当类型重写了Object的Finalize方法时，才会将类型及其派生类型的对象视为“可终结”的。

注意，除非有必要，否则应尽量避免定义终结器。原因如下：

可终结对象在回收时，必须保证存活，这就可能导致其被提升为另一代，生存期延长，导致内存无法及时回收。另外，其内部引用的所有对象也必须保证都存活，一些被认为是垃圾的对象在可终结对象回收后也无法直接回收，直到下一次（甚至多次）GC时才会被回收。
Finalize 方法在GC完成后才会执行，而GC的执行时机无法控制，也就导致该方法的执行时间也无法控制。
Finalize 方法中不要访问其他可终结对象，因为CLR无法保证多个 Finalize 方法的执行顺序。如果访问了已终结的对象，Finalize 方法抛出未处理的异常，导致进程终止，无法捕捉异常。

在实际项目开发中，想要避免释放本机资源基本不可能，但是我们可以通过规范代码来规避异常，这就需要用到IDisposable接口了。示例代码如下：

public class MyResourceHog : IDisposable
{
    //标识资源是否已被释放
    private bool _hasDisposed = false;

    public void Dispose()
    {
        Dispose(true);
        //阻止GC调用 Finalize
        GC.SuppressFinalize(this);
    }

    /// <summary>
    /// 如果类本身包含非托管资源，才需要实现 Finalize
    /// </summary>
    ~MyResourceHog()
    {
        Dispose(false);
    }

    protected virtual void Dispose(bool isDisposing)
    {
        if (_hasDisposed) return;

        //表明由 Dispose 调用
        if (isDisposing)
        {
            //释放托管资源
        }
        //释放非托管资源。无论 Dispose 还是 Finalize 调用，都应该释放非托管资源

        _hasDisposed = true;
    }
}

public class DerivedResourceHog : MyResourceHog
{
    //基类与继承类应该使用各自的标识，防止子类设置为true时无法执行基类
    private bool _hasDisposed = false;

    protected override void Dispose(bool isDisposing)
    {
        if (_hasDisposed) return;

        if (isDisposing)
        {
            //释放托管资源
        }
        //释放非托管资源

        base.Dispose(isDisposing);

        _hasDisposed = true;
    }
}

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