.NET/C#/GC与内存管理（含深度解析）

Posted 2023-03-31 二后生

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了.NET/C#/GC与内存管理（含深度解析）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

详情请看参考文章：.NET面试题解析(06)-GC与内存管理 - 不灬赖 - 博客园 (cnblogs.com)

一、对象创建及生命周期

一个对象的生命周期简单概括就是：创建>使用>释放，在.NET中一个对象的生命周期：

new创建对象并分配内存

对象初始化

对象操作、使用

资源清理（非托管资源）

GC垃圾回收

GC的内存管理的目标主要都是引用类型对象，引用对象都是分配在托管堆上的，托管堆中的对象是顺序存放的，托管堆维护着一个指针NextObjPtr，它指向下一个对象在堆中的分配位置。托管堆的基本结构，如下图：

以下题代码为例，模拟一个对象的创建过程：

public class User

    public int Age  get; set; 
    public string Name  get; set; 

    public string _Name = "123" + "abc";
    public List<string> _Names;

它的的创建工作原理如下

对象大小估算，共计40个字节：

属性Age值类型Int，4字节；

属性Name，引用类型，初始为NULL，4个字节，指向空地址；

字段_Name初始赋值了，代码会被编译器优化为_Name=”123abc”。一个字符两个字节，字符串占用2×6+8（附加成员：4字节TypeHandle地址，4字节同步索引块）=20字节，总共内存大小=字符串对象20字节+_Name指向字符串的内存地址4字节=24字节；

引用类型字段List<string> _Names初始默认为NULL，4个字节；

User对象的初始附加成员（4字节TypeHandle地址，4字节同步索引块）8个字节；

内存申请：申请44个字节的内存块，从指针NextObjPtr开始验证，空间是否足够，若不够则触发垃圾回收。

内存分配：从指针NextObjPtr处开始划分44个字节内存块。

对象初始化：首先初始化对象附加成员，再调用User对象的构造函数，对成员初始化，值类型默认初始为0，引用类型默认初始化为NULL；

托管堆指针后移：指针NextObjPtr后移44个字节。

返回内存地址：返回对象的内存地址给引用变量。

二、GC垃圾回收

GC是垃圾回收（Garbage Collect）的缩写，是.NET核心机制的重要部分。她的基本工作原理就是遍历托管堆中的对象，标记哪些被使用对象（那些没人使用的就是所谓的垃圾），然后把可达对象转移到一个连续的地址空间（也叫压缩），其余的所有没用的对象内存被回收掉。

首先，需要再次强调一下托管堆内存的结构，如下图，很明确的表明了，只有GC堆才是GC的管辖区域。GC堆里面为了提高内存管理效率等因素，有分成多个部分，其中两个主要部分：

0/1/2代：代龄（Generation）在后面有专门说到；

大对象堆(Large Object Heap)，大于85000字节的大对象会分配到这个区域，这个区域的主要特点就是：不会轻易被回收；就是回收了也不会被压缩（因为对象太大，移动复制的成本太高了）；

什么是垃圾？简单理解就是没有被引用的对象。

垃圾回收的基本流程包含以下三个关键步骤：

① 标记

先假设所有对象都是垃圾，根据应用程序根指针Root遍历堆上的每一个引用对象，生成可达对象图，对于还在使用的对象（可达对象）进行标记（其实就是在对象同步索引块中开启一个标示位）。

其中Root根指针保存了当前所有需要使用的对象引用，他其实只是一个统称，意思就是这些对象当前还在使用，主要包含：静态对象/静态字段的引用；线程栈引用（局部变量、方法参数、栈帧）；任何引用对象的CPU寄存器；根引用对象中引用的对象；GC Handle table；Freachable队列等。

② 清除

针对所有不可达对象进行清除操作，针对普通对象直接回收内存，而对于实现了终结器的对象（实现了析构函数的对象）需要单独回收处理。清除之后，内存就会变得不连续了，就是步骤3的工作了。

③ 压缩

把剩下的对象转移到一个连续的内存，因为这些对象地址变了，还需要把那些Root跟指针的地址修改为移动后的新地址。

垃圾回收的过程示意图如下：

垃圾回收的过程是不是还挺辛苦的，因此建议不要随意手动调用垃圾回收GC.Collect()，GC会选择合适的时机、合适的方式进行内存回收的。

关于代龄（Generation）

当然，实际的垃圾回收过程可能比上面的要复杂，如果没次都扫描托管堆内的所有对象实例，这样做太耗费时间而且没有必要。分代(Generation)算法是CLR垃圾回收器采用的一种机制，它唯一的目的就是提升应用程序的性能。分代回收，速度显然快于回收整个堆。分代(Generation)算法的假设前提条件：

1、大量新创建的对象生命周期都比较短，而较老的对象生命周期会更长
2、对部分内存进行回收比基于全部内存的回收操作要快
3、新创建的对象之间关联程度通常较强。heap分配的对象是连续的，关联度较强有利于提高CPU cache的命中率

如图3，.NET将托管堆分成3个代龄区域: Gen 0、Gen 1、Gen 2：

第0代，最新分配在堆上的对象，从来没有被垃圾收集过。任何一个新对象，当它第一次被分配在托管堆上时，就是第0代（大于85000的大对象除外）。

第1代，0代满了会触发0代的垃圾回收，0代垃圾回收后，剩下的对象会搬到1代。

第2代，当0代、1代满了，会触发0代、1代的垃圾回收，第0代升为第1代，第1代升为第2代。

大部分情况，GC只需要回收0代即可，这样可以显著提高GC的效率，而且GC使用启发式内存优化算法，自动优化内存负载，自动调整各代的内存大小。

非托管资源回收

.NET中提供释放非托管资源的方式主要是：Finalize() 和 Dispose()。

Dispose()：

Dispose需要手动调用，在.NET中有两种调用方式：

//方式1：显示接口调用
SomeType st1=new SomeType();
//do sth
st1.Dispose();

//方式2：using()语法调用，自动执行Dispose接口
using (var st2 = new SomeType())

    //do sth

第一种方式，显示调用，缺点显而易见，如果程序猿忘了调用接口，则会造成资源得不到释放。或者调用前出现异常，当然这一点可以使用try…finally避免。

一般都建议使用第二种实现方式，他可以保证无论如何Dispose接口都可以得到调用，原理其实很简单，using()的IL代码如下图，因为using只是一种语法形式，本质上还是try…finally的结构。

Finalize() ：终结器（析构函数）

首先了解下Finalize方法的来源，她是来自System.Object中受保护的虚方法Finalize，无法被子类显示重写，也无法显示调用，是不是有点怪？。她的作用就是用来释放非托管资源，由GC来执行回收，因此可以保证非托管资源可以被释放。

简单总结一下：Finalize()可以确保非托管资源会被释放，但需要很多额外的工作（比如终结对象特殊管理），而且GC需要执行两次才会真正释放资源。听上去好像缺点很多，她唯一的优点就是不需要显示调用。

有些编程意见或程序猿不建议大家使用Finalize，尽量使用Dispose代替，我觉得可能主要原因在于：第一是Finalize本身性能并不好；其次很多人搞不清楚Finalize的原理，可能会滥用，导致内存泄露。因此就干脆别用了，其实微软是推荐大家使用的，不过是和Dispose一起使用，同时实现IDisposable接口和Finalize（析构函数），其实FCL中很多类库都是这样实现的
这样可以兼具两者的优点：
如果调用了Dispose，则可以忽略对象的终结器，对象一次就回收了；
如果程序猿忘了调用Dispose，则还有一层保障，GC会负责对象资源的释放；