.Net垃圾收集機(jī)制了解算法與代齡

作者：李鳴 2010-03-04 10:08:54

組成.Net平臺一個很重要的部分----垃圾收集器(Garbage Collection)，今天我們就來講講它，想想看沒有GC，.Net還能稱之為一個平臺嗎？各種語言雖然都被編譯成MSIL，但是運(yùn)行時的資源回收工作卻“各自為戰(zhàn)”，這樣不但增加了編程難度，也會使內(nèi)存管理工作變得復(fù)雜無比，更也不利于平臺移植。

垃圾收集器在本質(zhì)上就是負(fù)責(zé)跟蹤所有對象被引用到的地方，關(guān)注對象不再被引用的情況，回收相應(yīng)的內(nèi)存。在.NET平臺中同樣如此，有效的提高.NET垃圾回收性能，能夠提高程序執(zhí)行效率。

其實垃圾收集并不是伴隨Java出現(xiàn)的，早在1958年，圖林獎得主John發(fā)明的Lisp語言就已經(jīng)提供了GC的功能，這是GC的第一次出現(xiàn)，是思想的一次閃光！而后，1984年Dave Ungar發(fā)明的Small talk語言第一次正式采用了GC機(jī)制。.Net的垃圾回收機(jī)制是個很大的話題，如果你沒接觸過類似C++那樣的語言，就很難理解GC是一個多么重要、令人興奮的東西：

1.提高軟件系統(tǒng)的內(nèi)聚。

2.降低編程復(fù)雜度，使程序員不必分散精力去處理析構(gòu)。

3.不妨礙設(shè)計師進(jìn)行系統(tǒng)抽象。

4.減少由于內(nèi)存運(yùn)用不當(dāng)產(chǎn)生的Bug。

5.成功的將內(nèi)存管理工作從程序的編寫時，脫離至運(yùn)行時，使不可預(yù)估的管理漏洞變?yōu)榭深A(yù)估的。

1.算法

垃圾收集器的本質(zhì),就是跟蹤所有被引用到的對象，整理對象不再被引用的對象，回收相應(yīng)的內(nèi)存。這聽起來類似于一種叫做“引用計數(shù)(Reference Counting)”的算法，然而這種算法需要遍歷所有對象，并維護(hù)它們的引用情況，所以效率較低些，并且在出現(xiàn)“環(huán)引用”時很容易造成內(nèi)存泄露。所以.Net中采用了一種叫做“標(biāo)記與清除(Mark Sweep)”算法來完成上述任務(wù)。“標(biāo)記與清除”算法，顧名思義，這種算法有兩個本領(lǐng)：

“標(biāo)記”本領(lǐng)——垃圾的識別：從應(yīng)用程序的root出發(fā)，利用相互引用關(guān)系，遍歷其在Heap上動態(tài)分配的所有對象，沒有被引用的對象不被標(biāo)記，即成為垃圾；存活的對象被標(biāo)記，即維護(hù)成了一張“根-對象可達(dá)圖”。其實，CLR會把對象關(guān)系看做“樹圖”，無疑，了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的同學(xué)都知道，有了“樹圖”的概念，會加快遍歷對象的速度。

檢測、標(biāo)記對象引用，是一件很有意思的事情，有很多方法可以做到，但是只有一種是效率最優(yōu)的，.Net中是利用棧來完成的，在不斷的入棧與出棧中完成檢測：先在樹圖中選擇一個需要檢測的對象，將該對象的所有引用壓棧，如此反復(fù)直到棧變空為止。棧變空意味著已經(jīng)遍歷了這個局部根(或者說是樹圖中的節(jié)點(diǎn))能夠到達(dá)的所有對象。樹圖節(jié)點(diǎn)范圍包括局部變量(實際上局部變量會很快被回收，因為它的作用域很明顯、很好控制)、寄存器、靜態(tài)變量，這些元素都要重復(fù)這個操作。一旦完成，便逐個對象地檢查內(nèi)存，沒有標(biāo)記的對象變成了垃圾。

“清除”本領(lǐng)——回收內(nèi)存：啟用Compact算法，對內(nèi)存中存活的對象進(jìn)行移動，修改它們的指針，使之在內(nèi)存中連續(xù)，這樣空閑的內(nèi)存也就連續(xù)了，這就解決了內(nèi)存碎片問題，當(dāng)再次為新對象分配內(nèi)存時，CLR不必在充滿碎片的內(nèi)存中尋找適合新對象的內(nèi)存空間，所以分配速度會大大提高。

但是大對象（large object heap）除外，GC不會移動一個內(nèi)存中巨無霸，因為它知道現(xiàn)在的CPU不便宜。通常，大對象具有很長的生存期，當(dāng)一個大對象在.NET托管堆中產(chǎn)生時，它被分配在堆的一個特殊部分中，移動大對象所帶來的開銷超過了整理這部分堆所能提高的性能。

Compact算法除了會提高再次分配內(nèi)存的速度，如果新分配的對象在堆中位置很緊湊的話，高速緩存的性能將會得到提高，因為一起分配的對象經(jīng)常被一起使用(程序的局部性原理)，所以為程序提供一段連續(xù)空白的內(nèi)存空間是很重要的。 #p#

2.代齡(Generation)

代齡就是對Heap中的對象按照存在時間長短進(jìn)行分代，最短的分在第0代，最長的分在第2代，第2代中的對象往往是比較大的。Generation的層級與FrameWork版本有關(guān)，可以通過調(diào)用GC.MaxGeneration得知。

通常，GC會優(yōu)先收集那些最近分配的對象(第0代)，這與操作系統(tǒng)經(jīng)典內(nèi)存換頁算法“最近最少使用”算法如出一轍。但是，這并不代表GC只收集最近分配的對象，通常，.Net GC將堆空間按對象的生存期長短分成3代：新分配的對象在第0代(0代空間最大長度通常為256K)，按地址順序分配，它們通常是一些局部變量；第1代(1代空間最大長度通常為2 MB)是經(jīng)過0代垃圾收集后仍然駐留在內(nèi)存中的對象，它們通常是一些如表單，按鈕等對象；第2代是經(jīng)歷過幾次垃圾收集后仍然駐留在內(nèi)存中的對象，它們通常是一些應(yīng)用程序?qū)ο蟆?/p>

當(dāng)內(nèi)存吃緊時(例如0代對象充滿)，GC便被調(diào)入執(zhí)行引擎——也就是CLR——開始對第0代的空間進(jìn)行標(biāo)記與壓縮工作、回收工作，這通常小于1毫秒。如果回收后內(nèi)存依然吃緊，那么GC會繼續(xù)回收第1代(回收操作通常小于10毫秒)、第2代，當(dāng)然GC有時并不是按照第0、1、2代的順序收集垃圾的，這取決于運(yùn)行時的情況，或是手動調(diào)用GC.Collect(i)指定回收的代。當(dāng)對第2代回收后任然無法獲得足夠的內(nèi)存，那么系統(tǒng)就會拋出OutOfMemoryException異常，當(dāng)經(jīng)過幾次GC過后，0代中的某個對象仍然存在，那么它將被移動到第1代。同理，第1、2代也按同樣的邏輯運(yùn)行。

這里還要說的是，GC Heap中代的數(shù)量與容量，都是可變的(這由一個“策略引擎”控制，在第二節(jié)中，會介紹到“策略引擎”)，以下代碼結(jié)合Windbg可以說明這個問題，以下代碼中，可以通過單擊按鈕“button1”，不斷的分配內(nèi)存，而后獲得對象“a”的代齡情況，并且在Form加載時也會獲得“a”的代齡。

public partial class Form1 : Form  
{  
        private string a = new string('a',1);  
        public Form1()  
        {  
            InitializeComponent();  
        }  
        private void button1_Click(object sender, EventArgs e)  
        {  
            a = new string('a', 900000);  
            label1.Text = GC.GetGeneration(a).ToString();  
        }  
        private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)  
        {  
            label1.Text = GC.GetGeneration(a).ToString();  
        }  
}