.NET垃圾回收:原理淺析
來源:易賢網(wǎng) 閱讀:1606 次 日期:2015-04-02 13:09:19
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在開發(fā).NET程序過程中,由于CLR中的垃圾回收(garbage collection)機制會管理已分配的對象,所以程序員就可以不用關注對象什么時候釋放內存空間了。但是,了解垃圾回收機制還是很有必要的,下面我們就看看.NET垃圾回收機制的相關內容。

創(chuàng)建對象

在C#中,我們可以通過new關鍵字創(chuàng)建一個引用類型的對象,比如下面一條語句。New關鍵字創(chuàng)建了一個Student類型的對象,這個新建的對象會被存放在托管堆中,而這個對象的引用會存放在調用棧中。(對于引用類型可以查看,C#中值類型和引用類型)

Student s1 = new Student();

在C#中,當上面的Student對象被創(chuàng)建后,程序員就可以不用關心這個對象什么時候被銷毀了,垃圾回收器將會在該對象不再需要時將其銷毀。

當一個進程初始化后,CLR就保留一塊連續(xù)的內存空間,這段連續(xù)的內存空間就是我們說的托管堆。.NET垃圾回收器會管理并清理托管堆,它會在必要的時候壓縮空的內存塊來實現(xiàn)優(yōu)化,為了輔助垃圾回收器的這一行為,托管堆保存著一個指針,這個指針準確地只是下一個對象將被分配的位置,被稱為下一個對象的指針(NextObjPtr)。為了下面介紹垃圾回收機制,我們先詳細看看new關鍵字都做了什么。

new關鍵字

當C#編譯器遇到new關鍵字時,它會在方法的實現(xiàn)中加入一條CIL newobj命令,下面是通過ILSpy看到的IL代碼。

IL_0001: newobj instance void GCTest.Student::.ctor()

其實,newobj指令就是告訴CLR去執(zhí)行下列操作:

計算新建對象所需要的內存總數(shù)

檢查托管堆,確保有足夠的空間來存放新建的對象

如果空間足夠,調用類型的構造函數(shù),將對象存放在NextObjPtr指向的內存地址

如果空間不夠,就會執(zhí)行一次垃圾回收來清理托管堆(如果空間依然不夠,就會報出OutofMemoryException)

最后,移動NextObjPtr指向托管堆下一個可用地址,然后將對象引用返回給調用者

按照上面的分析,當我們創(chuàng)建兩個Student對象的時候,托管堆就應該跟下圖一致,NextObjPtr指向托管堆新的可用地址。

托管堆的大小不是無限制的,如果我們一直使用new關鍵字來創(chuàng)建新的對象,托管堆就可能被耗盡,這時托管堆可以檢測到NextObjPtr指向的空間超過了托管堆的地址空間,就需要做一次垃圾回收了,垃圾回收器會從托管堆中刪除不可訪問的對象

應用程序的根

垃圾回收器是如何確定一個對象不再需要,可以被安全的銷毀?

這里就要看一個應用程序根(application root)的概念。根(root)就是一個存儲位置其中保存著對托管堆上一個對象的引用,根可以屬性下面任何一個類別:

全局對象和靜態(tài)對象的引用

應用程序代碼庫中局部對象的引用

傳遞進一個方法的對象參數(shù)的引用

等待被終結(finalize,后面介紹)對象的引用

任何引用對象的CPU寄存器

垃圾回收可以分為兩個步驟:

標記對象

壓縮托管堆

下面結合應用程序的根的概念,我們來看看垃圾回收這兩個步驟。

標記對象

在垃圾回收的過程中,垃圾回收器會認為托管堆中的所有對象都是垃圾,然后垃圾回收器會檢查所有的根。為此,CLR會建立一個對象圖,代表托管堆上所有可達對象。

假設托管堆中有A-G七個對象,垃圾回收過程中垃圾回收器會檢查所有的對象是否有活動根。這個例子的垃圾回收過程可以描述如下(灰色表示不可達對象):

當發(fā)現(xiàn)有根引用了托管堆中的對象A時,垃圾回收器會對此對象A進行標記

對一個根檢測完畢后會接著檢測下一個根,執(zhí)行步驟一種同樣的標記過程,標記對象B,在標記B時,檢測到對象B內又引用了另一個對象E,則也對E進行標記;由于E引用了G,同樣的方式G也會被標記

重復步驟二,檢測Globales根,這次標記對象D

代碼中很有可能多個對象中引用了同一個對象E,垃圾回收器只要檢測到對象E已經(jīng)被標記過,則不再對對象E內所引用的對象進行檢測,這樣做有兩個目的:一是提高性能,二是避免無限循環(huán)。

所有的根對象都檢查完之后,有標記的對象就是可達對象,未標記的對象就是不可達對象。

壓縮托管堆

繼續(xù)上面的例子,垃圾回收器將銷毀所有未被標記的對象,釋放這些垃圾對象所占的內存,再把可達對象移動到這里以壓縮堆。

注意,在移動可達對象之后,所有引用這些對象的變量將無效,接著垃圾回收器要重新遍歷應用程序的所有根來修改它們的引用。在這個過程中如果各個線程正在執(zhí)行,很可能導致變量引用到無效的對象地址,所以整個進程的正在執(zhí)行托管代碼的線程是被掛起的。

經(jīng)過了垃圾回收之后,所有的非垃圾對象被移動到一起,并且所有的非垃圾對象的指針也被修改成移動后的內存地址,NextObjPtr指向最后一個非垃圾對象的后面。

對象的代

當CLR試圖尋找不可達對象的時候,它需要遍歷托管堆上的對象。隨著程序的持續(xù)運行,托管堆可能越來越大,如果要對整個托管堆進行垃圾回收,勢必會嚴重影響性能。所以,為了優(yōu)化這個過程,CLR中使用了”代”的概念,托管堆上的每一個對象都被指定屬于某個”代”(generation)。

“代”這個概念的基本思想就是,一個對象在托管堆上存在的時間越長,那么它就更可能應該保留。托管堆中的對象可以被分為0、1、2三個代:

0代:從沒有被標記為回收的新分配的對象

1代:在上一次垃圾回收中沒有被回收的對象

2代:在一次以上的垃圾回收后仍然沒有被回收的對象

下面還是通過一個例子看看代這個概念(灰色代表不可達對象):

在程序初始化時,托管堆上沒有對象,這時候新添到托管堆上的對象是的代是0,這些對象從來沒有經(jīng)過垃圾回收器檢查。假設現(xiàn)在托管堆上有A-G七個對象,托管堆空間將要耗盡。

如果現(xiàn)在需要更多的托管堆空間來存放新建的對象(H、I、J),CLR就會觸發(fā)一次垃圾回收。垃圾回收器就會檢查所有的0代對象,所有的不可達對象都會被清理,所有沒有被回收掉的對象就成為了1代對象。

假設現(xiàn)在需要更多的托管堆空間來存放新建的對象(K、L、M),CLR會再觸發(fā)一次垃圾回收。垃圾回收器會先檢查所有的0代對象,但是仍需要更多的空間,那么垃圾回收器會繼續(xù)檢查所有 的1代對象,整理出足夠的空間。這時,沒有被回收的1代對象將成為2代對象。2代對象是目前垃圾回收器的最高代,當再次垃圾回收時,沒有回收的對象的代數(shù)依然保持2。

通過前面的描述可以看到,分代可以避免每次垃圾回收都遍歷整個托管堆,這樣可以提高垃圾回收的性能。

System.GC

.NET類庫中提供了System.GC類型,通過該類型的一些靜態(tài)方法,可以通過編程的方式與垃圾回收器進行交互。

看一個簡單的例子:

class Student

{

public int Id { get; set; }

public string Name { get; set; }

public int Age { get; set; }

public string Gender { get; set; }

}

class Program

{

static void Main(string[] args)

{

Console.WriteLine("Estimated bytes on heap: {0}", GC.GetTotalMemory(false));

Console.WriteLine("This OS has {0} object generations", GC.MaxGeneration);

Student s = new Student { Id = 1, Name = "Will", Age = 28, Gender = "Male"};

Console.WriteLine(s.ToString());

Console.WriteLine("Generation of s is: {0}", GC.GetGeneration(s));

GC.Collect();

Console.WriteLine("Generation of s is: {0}", GC.GetGeneration(s));

GC.Collect();

Console.WriteLine("Generation of s is: {0}", GC.GetGeneration(s));

Console.Read();

}

}

程序的輸出為:

從這個輸出,我們也可以驗證代的概念,每次垃圾清理后,如果一個對象沒有被清理,那么它的代就會提高。

強制垃圾回收

由于托管堆上的對象由垃圾管理器幫我們管理,所有我們不需要關心托管堆上對象的銷毀以及內存空間的回收。

但是,有些特殊的情況下,我們可能需要通過GC.Collect()強制垃圾回收:

應用程序將要進入一段代碼,這段代碼不希望被可能的垃圾回收中斷

應用程序剛剛分配非常多的對象,程序想在使用完這些對象后盡快的回收內存空間

在使用強制垃圾回收時,建議同時調用”GC.WaitForPendingFinalizers();”,這樣可以確定在程序繼續(xù)執(zhí)行之前,所有的可終結對象都必須執(zhí)行必要的清除工作。但是要注意,GC.WaitForPendingFinalizers()會在回收過程中掛起調用的線程。

static void Main(string[] args)

{

……

GC.Collect();

GC.WaitForPendingFinalizers();

……

}

每一次垃圾回收過程都會損耗性能,所以要盡量避免通過GC.Collect()進行強制垃圾回收,除非遇到了真的需要強制垃圾回收的情況。

總結

本文介紹了.NET垃圾回收機制的基本工作過程,垃圾回收器通過遍歷托管堆上的對象進行標記,然后清除所有的不可達對象;在托管堆上的對象都被設置了一個代,通過了代這個概念,垃圾回收的性能得到了優(yōu)化。

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