在開(kāi)發(fā).NET程序過(guò)程中，由于CLR中的垃圾回收（garbage collection）機(jī)制會(huì)管理已分配的對(duì)象，所以程序員就可以不用關(guān)注對(duì)象什么時(shí)候釋放內(nèi)存空間了。但是，了解垃圾回收機(jī)制還是很有必要的，下面我們就看看.NET垃圾回收機(jī)制的相關(guān)內(nèi)容。

創(chuàng)建對(duì)象

在C#中，我們可以通過(guò)new關(guān)鍵字創(chuàng)建一個(gè)引用類型的對(duì)象，比如下面一條語(yǔ)句。New關(guān)鍵字創(chuàng)建了一個(gè)Student類型的對(duì)象，這個(gè)新建的對(duì)象會(huì)被存放在托管堆中，而這個(gè)對(duì)象的引用會(huì)存放在調(diào)用棧中。（對(duì)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(dāng)上面的Student對(duì)象被創(chuàng)建后，程序員就可以不用關(guān)心這個(gè)對(duì)象什么時(shí)候被銷毀了，垃圾回收器將會(huì)在該對(duì)象不再需要時(shí)將其銷毀。

當(dāng)一個(gè)進(jìn)程初始化后，CLR就保留一塊連續(xù)的內(nèi)存空間，這段連續(xù)的內(nèi)存空間就是我們說(shuō)的托管堆。.NET垃圾回收器會(huì)管理并清理托管堆，它會(huì)在必要的時(shí)候壓縮空的內(nèi)存塊來(lái)實(shí)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(gè)指針，這個(gè)指針準(zhǔn)確地只是下一個(gè)對(duì)象將被分配的位置，被稱為下一個(gè)對(duì)象的指針（NextObjPtr）。為了下面介紹垃圾回收機(jī)制，我們先詳細(xì)看看new關(guān)鍵字都做了什么。

new關(guān)鍵字

當(dāng)C#編譯器遇到new關(guān)鍵字時(shí)，它會(huì)在方法的實(shí)現(xiàn)中加入一條CIL newobj命令，下面是通過(guò)ILSpy看到的IL代碼。

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

其實(shí)，newobj指令就是告訴CLR去執(zhí)行下列操作：

計(jì)算新建對(duì)象所需要的內(nèi)存總數(shù)

檢查托管堆，確保有足夠的空間來(lái)存放新建的對(duì)象

如果空間足夠，調(diào)用類型的構(gòu)造函數(shù)，將對(duì)象存放在NextObjPtr指向的內(nèi)存地址

如果空間不夠，就會(huì)執(zhí)行一次垃圾回收來(lái)清理托管堆（如果空間依然不夠，就會(huì)報(bào)出OutofMemoryException）

最后，移動(dòng)NextObjPtr指向托管堆下一個(gè)可用地址，然后將對(duì)象引用返回給調(diào)用者

按照上面的分析，當(dāng)我們創(chuàng)建兩個(gè)Student對(duì)象的時(shí)候，托管堆就應(yīng)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(wú)限制的，如果我們一直使用new關(guān)鍵字來(lái)創(chuàng)建新的對(duì)象，托管堆就可能被耗盡，這時(shí)托管堆可以檢測(cè)到NextObjPtr指向的空間超過(guò)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(huì)從托管堆中刪除不可訪問(wèn)的對(duì)象

應(yīng)用程序的根

垃圾回收器是如何確定一個(gè)對(duì)象不再需要，可以被安全的銷毀？

這里就要看一個(gè)應(yīng)用程序根（application root）的概念。根（root）就是一個(gè)存儲(chǔ)位置其中保存著對(duì)托管堆上一個(gè)對(duì)象的引用，根可以屬性下面任何一個(gè)類別：

全局對(duì)象和靜態(tài)對(duì)象的引用

應(yīng)用程序代碼庫(kù)中局部對(duì)象的引用

傳遞進(jìn)一個(gè)方法的對(duì)象參數(shù)的引用

等待被終結(jié)（finalize，后面介紹）對(duì)象的引用

任何引用對(duì)象的CPU寄存器

垃圾回收可以分為兩個(gè)步驟：

標(biāo)記對(duì)象

壓縮托管堆

下面結(jié)合應(yīng)用程序的根的概念，我們來(lái)看看垃圾回收這兩個(gè)步驟。

標(biāo)記對(duì)象

在垃圾回收的過(guò)程中，垃圾回收器會(huì)認(rèn)為托管堆中的所有對(duì)象都是垃圾，然后垃圾回收器會(huì)檢查所有的根。為此，CLR會(huì)建立一個(gè)對(duì)象圖，代表托管堆上所有可達(dá)對(duì)象。

假設(shè)托管堆中有A-G七個(gè)對(duì)象，垃圾回收過(guò)程中垃圾回收器會(huì)檢查所有的對(duì)象是否有活動(dòng)根。這個(gè)例子的垃圾回收過(guò)程可以描述如下（灰色表示不可達(dá)對(duì)象）：

當(dāng)發(fā)現(xiàn)有根引用了托管堆中的對(duì)象A時(shí)，垃圾回收器會(huì)對(duì)此對(duì)象A進(jìn)行標(biāo)記

對(duì)一個(gè)根檢測(cè)完畢后會(huì)接著檢測(cè)下一個(gè)根，執(zhí)行步驟一種同樣的標(biāo)記過(guò)程，標(biāo)記對(duì)象B，在標(biāo)記B時(shí)，檢測(cè)到對(duì)象B內(nèi)又引用了另一個(gè)對(duì)象E，則也對(duì)E進(jìn)行標(biāo)記；由于E引用了G，同樣的方式G也會(huì)被標(biāo)記

重復(fù)步驟二，檢測(cè)Globales根，這次標(biāo)記對(duì)象D

代碼中很有可能多個(gè)對(duì)象中引用了同一個(gè)對(duì)象E，垃圾回收器只要檢測(cè)到對(duì)象E已經(jīng)被標(biāo)記過(guò)，則不再對(duì)對(duì)象E內(nèi)所引用的對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，這樣做有兩個(gè)目的：一是提高性能，二是避免無(wú)限循環(huán)。

所有的根對(duì)象都檢查完之后，有標(biāo)記的對(duì)象就是可達(dá)對(duì)象，未標(biāo)記的對(duì)象就是不可達(dá)對(duì)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(biāo)記的對(duì)象，釋放這些垃圾對(duì)象所占的內(nèi)存，再把可達(dá)對(duì)象移動(dòng)到這里以壓縮堆。

注意，在移動(dòng)可達(dá)對(duì)象之后，所有引用這些對(duì)象的變量將無(wú)效，接著垃圾回收器要重新遍歷應(yīng)用程序的所有根來(lái)修改它們的引用。在這個(gè)過(guò)程中如果各個(gè)線程正在執(zhí)行，很可能導(dǎo)致變量引用到無(wú)效的對(duì)象地址，所以整個(gè)進(jìn)程的正在執(zhí)行托管代碼的線程是被掛起的。

經(jīng)過(guò)了垃圾回收之后，所有的非垃圾對(duì)象被移動(dòng)到一起，并且所有的非垃圾對(duì)象的指針也被修改成移動(dòng)后的內(nèi)存地址，NextObjPtr指向最后一個(gè)非垃圾對(duì)象的后面。

對(duì)象的代

當(dāng)CLR試圖尋找不可達(dá)對(duì)象的時(shí)候，它需要遍歷托管堆上的對(duì)象。隨著程序的持續(xù)運(yùn)行，托管堆可能越來(lái)越大，如果要對(duì)整個(gè)托管堆進(jìn)行垃圾回收，勢(shì)必會(huì)嚴(yán)重影響性能。所以，為了優(yōu)化這個(gè)過(guò)程，CLR中使用了”代”的概念，托管堆上的每一個(gè)對(duì)象都被指定屬于某個(gè)”代”（generation）。

“代”這個(gè)概念的基本思想就是，一個(gè)對(duì)象在托管堆上存在的時(shí)間越長(zhǎng)，那么它就更可能應(yīng)該保留。托管堆中的對(duì)象可以被分為0、1、2三個(gè)代：

0代：從沒(méi)有被標(biāo)記為回收的新分配的對(duì)象

1代：在上一次垃圾回收中沒(méi)有被回收的對(duì)象

2代：在一次以上的垃圾回收后仍然沒(méi)有被回收的對(duì)象

下面還是通過(guò)一個(gè)例子看看代這個(gè)概念（灰色代表不可達(dá)對(duì)象）：

在程序初始化時(shí)，托管堆上沒(méi)有對(duì)象，這時(shí)候新添到托管堆上的對(duì)象是的代是0，這些對(duì)象從來(lái)沒(méi)有經(jīng)過(guò)垃圾回收器檢查。假設(shè)現(xiàn)在托管堆上有A-G七個(gè)對(duì)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(lái)存放新建的對(duì)象（H、I、J），CLR就會(huì)觸發(fā)一次垃圾回收。垃圾回收器就會(huì)檢查所有的0代對(duì)象，所有的不可達(dá)對(duì)象都會(huì)被清理，所有沒(méi)有被回收掉的對(duì)象就成為了1代對(duì)象。

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

通過(guò)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(gè)托管堆，這樣可以提高垃圾回收的性能。

System.GC

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

看一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)輸出，我們也可以驗(yàn)證代的概念，每次垃圾清理后，如果一個(gè)對(duì)象沒(méi)有被清理，那么它的代就會(huì)提高。

強(qiáng)制垃圾回收

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

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

應(yīng)用程序?qū)⒁M(jìn)入一段代碼，這段代碼不希望被可能的垃圾回收中斷

應(yīng)用程序剛剛分配非常多的對(duì)象，程序想在使用完這些對(duì)象后盡快的回收內(nèi)存空間

在使用強(qiáng)制垃圾回收時(shí)，建議同時(shí)調(diào)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(jié)對(duì)象都必須執(zhí)行必要的清除工作。但是要注意，GC.WaitForPendingFinalizers()會(huì)在回收過(guò)程中掛起調(diào)用的線程。

static void Main(string[] args)

{

……

GC.Collect();

GC.WaitForPendingFinalizers();

……

}

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

總結(jié)

本文介紹了.NET垃圾回收機(jī)制的基本工作過(guò)程，垃圾回收器通過(guò)遍歷托管堆上的對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記，然后清除所有的不可達(dá)對(duì)象；在托管堆上的對(duì)象都被設(shè)置了一個(gè)代，通過(guò)了代這個(gè)概念，垃圾回收的性能得到了優(yōu)化。

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