CLR的垃圾回收机制

CLR的垃圾回收机制 （一）

从这节开始就涉及CLR 最有意思的地方了，也是CLR 思想的核心部分，比较难理解，要反复思考才能有收获。这节是我对CLR的垃圾回收的整理，应用程序是如何构造新对象，托管堆如何控制这些对象的生存期，以及回收这些对象的内存。本节的内容主要还是参考CLR via C# 这本书，还有就是蒋金楠的博文。

 

我们先大致了解一下CLR 中的资源概念、以及资源的生存周期

CLR的垃圾回收机制用于清理废弃的资源，这些资源例如文件、网络连接、socket、数据库连接、内存等。在面向对象的环境中，每个类型都代表可供程序使用的一种资源。要使用这些资源，必须为代表资源的类型分配内存，以下是访问一个资源所需要的步骤。

• 1 调用IL 指令 newobj ，为代表资源的类型分配内存（一般使用C# new 操作符来完成）。

• 2 初始化内存，设置资源的初始状态并使资源可使用。类型的实例构造器负责设置初始化状态。

• 3 访问类型的成员来使用资源。

• 4 摧毁资源的状态以进行清理。

• 5 释放内存。垃圾回收器独自负责这一步。

那应用程序是如何创建对象的呢？我们一步一步来解释这个问题 。C# 的new 操作符导致CLR 执行以下步骤。

• 1 计算类型的字段所需要的字节数。

• 2 加上对象的开销所需要的字节数。 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位应用程序，每个对象需要8 字节。64位应用程序每个对象需要 16字节。

• 3 CLR 检查区域中是否有分配对象做需要的字节数，如果有足够的空间就在Newobj 指向的地址放入对象，为对象分配的字节会被清零。 调用类型构造器，new 操作符返回对象引用。在返回引用之前 NewObjPtr 指针的值会加上对象占用的字节数来得到一个新值，即下个对象放入托管堆时的地址。

在许多应用中，差不多同时分配的对象彼此间有较强的联系，而其经常差不多在同一时刻访问。由于托管堆在内存中连续分配这些对象，所以会因为引用的“局部化”而获得性能上的提升。还意味着代码使用的对象可以全部驻留在CPU的缓存中。

 

垃圾回收算法

对于生存期的管理采用引用计数算法的弊端是循环引用。CLR采用的是 引用跟踪算法。 引用跟踪算法 只关心引用类型的变量，因为只有这种变量才能引用堆上的对象（值 类型变量直接包含值类型实例）。 我们将所有引用类型的变量都称为 根 (这里的变量是分配在栈中的，它引用了堆中的对象)。

CLR 的GC 过程

• 1 首先 暂停进程中的所有线程。

• 2 然后进入GC 的标记阶段。CLR 遍历堆中所有对象，将他们的同步索引块中的某一位设为0 。

• 3 然后CLR 检查所有活动的根，查看它们引用了哪些对象，那些根包含null 的被CLR忽略掉，继续查下一个根。 任何根如果引用了堆上的对象，CLR都会标记哪个对象，将它的同步索引块中的一位设为1 。 那些未被标记为1 的对象就要被垃圾回收了。

• 4 进入GC 的压缩阶段 ，CLR 对已标记的对象进行“乾坤大挪移”，压缩所有幸存下来的对象（这里的压缩更近于 碎片整理），让它们占用连续的空间。同时，可用空间也全部是连续的。

• 5 CLR 要保证每个根还是引用和之前一样的对象，只是对象在内存中变换了位置。

• 6 托管堆的 NewObjPtr 指针指向最后一个幸存对象之后的位置。压缩阶段完成后，CLR 恢复应用程序的所有线程。

  如果进程的内存已经耗尽，此时试图分配更多内存的 new 操作会抛出 OutofMemoryException 。

注意 ！！！：静态字段会一直伴随进程存在，直到用于加载类型的 AppDomain 卸载为止。 内存泄漏的一个常见原因是让 静态字段引用某个集合对象。然后不停的向集合添加数据项。静态字段使集合一直存活，而集合对象使用所有数据项一直存活。

 

代：提升性能

CLR 的GC 是基于代的垃圾回收器 （generational garbage collector），它对你的代码做出了以下几点假设。

• 1 对象越新，生存期越短。

• 2 对象越老，生存期越长。

• 3 回收堆的一部分，速度快于回收整个堆。

在实际中第一代占用的内存远少于预算，所以垃圾回收器只检查第0 代中的对象。如果根或对象 引用了老一代的某个对象，垃圾回收器就可以忽略老对象的所有引用。

如果根或对象也可能引用新对象。为确保对老对象的已更新字段进行检查，垃圾回收器利用了JIT 编译器内部的机制。这个机制在对象的引用字段发生变化时，会设置一个对应的标志位。

托管堆只支持三代：第 0代，第 1代，第 2代。CLR初始化时，会为每一代选择预算。垃圾回收会动态的调整每一代的预算。垃圾回收器会根据应用程序要求的内存负载来自动优化。

 

垃圾回收触发条件

第一次垃圾回收后，第0代幸存下来的提升至第1代，垃圾回收1代后的幸存者会被提升至2代。什么时候回收1代呢？是1代对象占有的内存空间超过了预设的值的时候。什么时候回收0代呢？是0代对象占有内存空间超过了预设的值的时候。

• 1 最常见的触发条件，CLR在检测第0 代超过预算时触发一次GC。

• 2 代码显示调用 System.GC 的静态 Collect 方法。

• 3 Windows 报告低内存情况。 CLR 内部使用win32函数 CreateMemoryResourceNotification 和 QueryMemoryResourceNotification 监视系统的总体内存使用情况。

• 4 CLR 正在卸载AppDomain，进程停止的时候

• 5 CLR正在关闭。

 

大对象 目前认为 85000 字节或更大的对象是 大对象，CLR以不同的方式对待大小对象。

• 1 大对象不是在小对象的地址空间分配，而是在进程地址空间的其他地方分配。

• 2 目前版本的GC 不压缩大对象，因为在内存中移动它们代价过高。

• 3 大对象总是第二代，所以只能为需要长时间存活的资源创建大对象。

 

垃圾回收模式 CLR 启动时会选择一个GC 模式，进程终止前该模式不会改变。CLR 有两个基本GC 模式。

• 1 工作站 该模式针对客户端应用程序优化GC ， GC 造成的延时很低，应用程序线程挂起时间很短。该模式假定机器上运行的其他应用程序都不会太多消耗CPU的资源。

• 2 服务器 该模式针对服务器端应用程序优化GC。被优化的主要是吞吐量和资源利用。该模式造成托管堆被拆分成几个区域，每个CPU一个。并发回收每个CPU自己的区域。

除了这两种主要模式，GC还支持两种子模式：并发模式和非并发模式。

 

监视应用程序的内存使用

System.GC 类提供静态方法查看某一代发生了多少次垃圾回收，或者托管堆中的对象占用了多少内存。

Int32 CollectionCount(Int32 generation);
Int64 GetTotalMemory(Boolean forceFullCollection);

 

*使用需要特殊清理的类型

在编写应用程序中肯定会涉及例如：操作文件 FileStream、网络资源socket、互斥锁 Mutex 等这些本机资源。

创建对象时不仅也要为它分配内存资源，还要为它分别本机资源。那么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，但这个类型的本机资源不清理的话，就会造成本机资源的泄漏。

所以，CLR提供了称为 终结的机制，允许对象在被判定为垃圾之后，但在对象内存被回收之前执行一些代码。任何包装了本机资源的类型都支持终结。

CLR 判定一个对象不可达是，对象将终结它自己，释放它包装的本机资源。之后，GC 会从托管堆回收对象。

 

对于使用了本机资源的对象，在废弃它的时候我们该如何处理呢？

终极基类 System.Object 定义了受保护的虚方法 Finalize。如果你创建的对象使用了 本机资源，你可以要重写Object 的虚方法。在类名前添加~ 符号来定义Finalize方法。垃圾回收器判定对象是垃圾后，会调用对象的Finalize 方法。

internal sealed class SomeType{
    ~SomeType() //这是一个Finalize方法
    {
        //这里的代码会进入Finalize 方法
    }
}

注意： 拥有本机资源的对象经历垃圾回收的顺序是这样的：

• 1 拥有本机资源对象被标记为垃圾，等待GC 被清理。

• 2 GC 将堆中其他垃圾回收完毕后才调用 Finalize方法，这些使用了本机资源的对象的内存没有被GC马上被回收，因为Finalize 方法可能要执行访问字段的代码。

• 3 上一步导致拥有本机资源的对象被提升到下一代，使对象活得比正常时间长。

• 4 当下一代对象被GC 回收时，拥有本机资源的对象的内存才会被回收。如果拥有本机资源的对象的字段引用了其他对象，那么它们也会被提升到下一代。

使用Finlize 会造成到很多问题，普通的编程人员一旦用不好会造成很多麻烦。不过还好，在实际使用中，我们不会重写 Object 的Finalize 方法，而是使用FCL 中提供的辅助类。这些辅助类重写了 Finalize方法并添加了一些CLR “魔法”，这些魔法保证处理本机资源不会出错。使用者可以从这些辅助类派生出自己的类，从而继承CLR 的魔法。

这些辅助类例如：System.Runtime.InteropServices.SafeHandle 抽象类、它派生了 SafeHandleZeroOrMinusOneIsInvalid 抽象类、它又派生了 SafeFileHandle、SafeRegistryHandle，SafeWaitHandle 和 SafeMemoryViewHandle 。

 

包含本机资源的类一般不会让编程人员自己写的，我们只要懂得如何使用它们就好了。以常用的System.IO.FileStream 类为例：

 FileStream 对象在构造时会调用 Win32 的CreateFile函数，函数的句柄保存在 SafeFileHandle 对象中，然后通过FielStream 对象的一个私有字段来维护该对象的引用。

 

其实对于释放本机资源的问题初学者不必理会，CLR已经做的很好了。如果想对可终结对象，也就是拥有本机资源的对象，它的内存如何释放探其原理的话需要好好看看CLR via C# 的垃圾回收这章。如果想知道 Finalize 的内部工作原理的话，我以后会另写一篇。