.net平台下垃圾回收机制

引言：使用c++进行编程，内存的处理绝对是让每个程序设计者最头疼的一块了。但是对于.net平台下使用c#语言开发系统，内存管理可以说已经不算是问题了。在.net平台下CLR负责管理内存，CLR中的垃圾收集器GC：Garbage Collection,负责执行内存的清理工作，但是GC也只是负责清理托管堆上的垃圾对象，而对于非托管的资源对象，GC则不起作用，必须要程序开发者手动清理。此处需要稍微说明：一般而言，非托管资源主要包括数据库链接、文件句柄、COM对象、套接字、GDI+对象、互斥体等等。

 

在介绍GC前，有必要对.net中CLR管理内存区域做简要介绍：

　　1、 堆栈：用于分配值类型实例。堆栈主要操作系统管理，而不受垃圾收集器的控制，当值类型实例所在方法结束时，其存储单位自动释放。栈的执行效率高，但存储容量有限。

　　2 、GC堆：用于分配小对象实例。如果引用类型对象实例的大小小于85000字节，实例将被配置在GC堆上，当有内存分配或者回收时，垃圾收集器可能会对GC堆进行压缩。

　　3、 LOH：large object heap，用于分配大对象实例。如果引用类型对象的实例的大小不小于85000字节时，该实例将被分配到LOH堆上，而LOH堆不会被压缩，而且只在完全GC回收时被回收。

　　

　　既然要清理垃圾，那么必然要明白什么是垃圾吧，垃圾的理解：一个对象成为“垃圾”表示该对象不被任何其他对象所引用。因此GC必须采用一定的算法在托管堆中遍历所有对象，最终形成一个可达对象图，而不可达的对象将成为被释放的垃圾对象等待收集。

　　在明白了什么是垃圾后，肯定会对GC如何回收垃圾提出疑问。.net平台下，每个应用程序都有一组根（指针），它指向托管堆中的存储位置，由JIT编译器和CLR运行时维护根指针列表，主要包括全局变量、静态变量、局部变量和寄存器指针等。GC正是通过根指针列表来获得托管堆中的对象图，其中定义了应用程序根引用的托管堆中的对象，当GC启动时，它假设所有对象都是可回收的垃圾，开始遍历所有的根，将根引用的对象标记为可达对象添加到可达对象图中，在遍历过程中，如果根引用的对象还引用着其他对象，则该对象也被添加到可达对象图中，依次类推，GC通过根列表的递归遍历，将能找到所有可达对象，并形成一个可达对象图。同时那些不可达对象则被认为是可回收对象，GC接着运行垃圾收集进程来释放垃圾对象的内存空间。这种收集算法称为：标记和清除收集算法。

 

垃圾回收一般在下列情况下进行：

1 内存不足溢出时，更确切的应该说是第0代对象充满时。

2 调用GC.Collect方法强制执行垃圾回收。（一般不要执行此方法）

3 Windows报告内存不足时，CLR将强制执行垃圾回收。

4 CLR卸载AppDomain时，GC将对所有代龄的对象执行垃圾回收。

5 其他情况，如物理内存不足，超出短期存活代的内存段门限，运行主机拒绝分配内存等。

 

垃圾回收运行机制：

　　垃圾收集器将托管堆中对象分为三代：0、1和2，在CLR初始化时，会选择为三代设置不同的阙值容量,一般为：第0代大约为256KB，第1代2MB，第2代10MB。容量越大效率越低，而GC收集器会自动调节其阙值容量来提升执行效率。在CLR初始化后，首先添加到托管堆中的对象都被定位第0代对象，当有垃圾回收执行时，未被回收的对象代龄将提升一级，变成第1代对象，而后新建对象仍未第0代对象。代龄越小表示对象越新，通常情况下其生命周期也最短，因此GC总是先收集第0代的不可达对象内存。

　　随着对象的不断创建，垃圾收集再次启动时则只会检查0代对象并回收0代垃圾对象。而1代对象由于未达到1代容量阙值，则不会进行垃圾回收操作，从而有效地提高了垃圾收集的效率，而这也是代龄机制在垃圾回收中的性能优化作用。当第0代对象释放的内存不足以创建新的对象，同时1代对象的体积也超出了容量阙值是，垃圾收集器将同时对0代和1代对象进行垃圾回收。回收之后，未被回收的1代对象变化2级对象，未被回收的0代对象升级为1代对象，而后新建的对象仍为第0代对象。

 

注：微软强烈建议不要通过GC.Collect方法来强制执行垃圾收集，这样会妨碍GC本身的工作方式，通过Collect会使对象代龄不断提升，扰乱应用程序的内存使用。只有在明确知道有大量对象停止引用时，才考虑使用GC.Collect方法来调用收集器。

 

上面介绍了垃圾管理器GC清理托管资源所涉及的一些机理，然而对于非托管资源，需要开发者手动清理，方法主要有：Finalize方法和Dispose方法。

Finalize：

Finalize方法又称为终止化操作：通过对自定义类型实现一个Finalize方法来释放非托管资源，而终止化操作在对象的内存回收之前通过调用Finalize方法来释放资源。在析构函数中重写Finalize方法，当垃圾管理器启动时，对于判定为可回收的垃圾对象，GC会自动执行其Finalize方法清理非托管资源。

protected override void Finalize()
        {
            try
            { 
                //执行自定义资源清理操作
            }
            finally
            {
                base.Finalize();
            }
        }

Finalize的缺点是：

终止化操作的时间无法控制，执行顺序也不能保证。

Finalize方法会极大的损失性能，GC使用一个终止话队列的内部结构来跟踪具有Finalize方法的对象。

重写finalize方法的类型对象，其引用类型对象的代龄将被提升，带来内存压力。

 

Dispose：

Dispose模式的实现是：定义的类型必须实现System.IDisposable接口，该接口中定义了一个公有无参数的Dispose方法，程序设计者可以在Dispose方法中实现对非托管资源的清理工作。

下面编写一个项目中遇到使用Dispose方法的例子，功能是在套接字使用完毕后释放资源

public class SocketConnection : IDisposable
    {
        //逻辑操作
        //.....................

        //实现Dispose
        public void Dispose()
        {
            try
            {
                this.ClientSock.Shutdown(SocketShutdown.Both);
                this.ClientSock.Close();
                this.Server = null;
            }
            catch (Exception ex)
            { }
        }
    }

 

总结：

在.net中，在堆栈上分配的资源在调用结束后，其内存自动会释放。

托管堆中的资源，由CLR的垃圾管理器进行清理操作。

对于非托管资源，必须由程序设计者进行操作，而对于Finalize和Dispose，最好采用Dispose方法。