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在開發.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。

創建對象

在C#中，我們可以通過new關鍵字創建一個引用類型的對象，比如下面一條語句。New關鍵字創建了一個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就保留一塊連續的內存空間，這段連續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優化，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去執行下列操作：

計算新建對象所需要的內存總數

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，將對象存放在NextObjPtr指向的內存地址

如果空間不夠，就會執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）：

當發現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。

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行托管代碼的線程是被掛起的。

經過了垃圾回收之后，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過垃圾回收器檢查。假設現在托管堆上有A-G七個對象，托管堆空間將要耗盡。

如果現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執行之前，所有的可終結對象都必須執行必要的清除工作。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化。

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