C#内存管理与垃圾回收

Posted 2020-08-20 网络蚂蚁

垃圾回收还得从根说起，就像生儿育女一样。

根：根是一个位置，存放一个指针，该指针指向托管堆中的一个对象，或是一个空指针不指向任何对象，即为null。根存在线程栈或托管堆中，大部分的跟都在线程栈上，因为定义的变量就存在线程栈上，类型对象指针存在托管堆中，因为实例化一个对象要额外分配两个字段“类型对象指针”和“同步块索引”。

 

类型对象指针的作用。实例化一个对象并没有为其方法分配内存，类型的静态字段分配内存，而实例要向调用属于类型的一些东西，就必须通过类型对象指针。如对象的实例是共用类型的方法，实例只需要通过类型对象指针调用类型的方法，更多关于方法的调用请看我的这篇博客。

 

同步块索引的作用。1：用于lock，使对象在同一时刻只能一个线程访问；2：用于获取对象的hashCode;3:在垃圾回收时标志某个对象是否是垃圾。关于lock最经典的一个例子就是单例了，大家的实现都是实例化一个object对象，然后锁住它，然后在判断是否要实例要实现单例的那个对象。我们为什么要实例化一个object，而不是直接lock(typeof(object))，那是因为这样会把object这个类型给锁住，锁住期间，任何使用线程使用lock(typeof(object))就必须等待，object还是可以正常使用。lock能起到单线程访问的原因是：它里面有一个空的for死循环，一直在读同步块索引中的一个位，如果这个位没有被标志跳出循环，如果被标志就一直执行循环，直到方法执行完成，其他线程就一直等待，现在你知道lock能使你的程序只能单线程反问也知道lock的效率低了吧。

 

NextObjPtr一个最牛B的指针。CLR中的所有资源都从托管堆中分配，托管堆是一块连续的内存空间，维护一个指针NextObjPtr，它指向上一个对象地址的后面，下一个对象的开始位置，若托管堆中没有对象就指向托管堆的开始位置，每分配一个对象就将NextObjPtr指向这个对象的后面，以准备开始分配下一个对象。NextObjptr指针移动的位置其实就是上一个对象所在空间的长度，从指向对象的开始位置改为对象的末尾吗。从哪里开始分配对象就全靠NextObjPtr啦。

 

实例化一个对象需要多少空间？对象的所有字段所需的内存+类型对象指针+同步块索引。关于类型对象指针和同步块索引的作用前面已经提过了。有些字段没有明显定义，但它确确实实存在，每个对象除了object的对象都有base字段，通过它可以调用父类的实例字段和方法，通过它你可以访问你爷爷的爷爷定义的字段和方法。CLR用递归的方式调用父类的方法，当然也要看，你爷爷是否愿意让你调用，原因你懂的。

 

在垃圾回收开始之前速度比C快。对象就这样开心的在托管堆中分配，托管堆的容量是有限的，总有一天第0代会满，容不下一粒沙子。垃圾回收就出场了，在垃圾回收出场之前，你使用内存很happy，当然速度是非常快，比C语言的速度还快，因为C的内存是随便分配，只要找到合适大小的区域，就在那里分配内存了，这样会导致内存碎片，有时需要一块大的内存，需要遍历多处。垃圾回收的时候日子就不是那么好过了。速度肯定比C慢了，看下面你就知道垃圾回收的时候，程序的速度为什么慢了。

 

垃圾回收分两步：1：标记；2：压缩

1：标记。在垃圾回收开始的时候，垃圾回收器视托管堆中的所有对象都为垃圾，即线程栈上没有指针指向托管堆。这样的估计是因为一个对象被视为垃圾就是它没有被引用，当垃圾回收开始的时候，垃圾回收器会沿着线程栈线性扫描，当线程栈上的一个变量引用了托管堆中的对象时，垃圾回收器就会将这个对象标记，即修改该对象同步块索引中的一个特定的位，同步块索引就是一个bit数组，每一个元素都有它特定的作用，上面就列出了我所知道的三个功能。被标记的对象也可能引用其他的对象，而被引用的对象同样会被标记，垃圾回收器是用递归的方式将这些对象一一标记的，一个对象可能会被多个对象引用，当垃圾回收器发现某个对象被标记时就会退出递归，因为再往下递归完全是多余，而且还可能出现死循环。

垃圾回收器就这样线性的扫描线程栈，递归的扫描托管堆，最后将托管堆中所有被引用的对象标记，而没有被标记的对象就是垃圾，等着被回收。

 

2：压缩。当垃圾被回收之后，就会出现磁盘碎片，那么就要对托管堆进行整理，即压缩。将没有被回收的对象放在一起，靠近托管堆开始的位置，将剩余的内存腾出空间来以便存放新的对象。由于压缩很多对象就会移动位置，而引用他们的指针都会变得无效，所以托管堆要修改所有指针的指向，以保证不会因为垃圾回收而让对象变得不可到达，指针变得无效。

压缩完了之后，又腾出了空间，又可以分配新的对象，当第0代满了之后又进行垃圾回收，垃圾回收就这样一直进行着，直到回收了3代还是没有内存可以分配，那就是弹尽粮绝的时候了，CLR会告诉你OutOfMemoryException。CLR的内存被的程序吃光了。更多关于代的信息，可以看我的这篇博客。在第0代满的时候就会进行垃圾回收，第0代回收完之后还是没有足够的内存存放当前对象就回收第1代，如果还是不够就回收第2代，够就不回收下一代，垃圾回收还可以用代码控制GC.Collect()。

更多关于内存管理和垃圾回收的内容，请等待我的下一篇博客。