一、GC机制基本原理

1、GC产生的背景

       每个程序都要使用这样或那样的资源，比如文件、内存缓冲区、屏幕空间、网络连接、数据库资源等。在面向对象的环境中，每个类型都代表可供程序使用的一种资源。要使用这些资源，必须为代表资源的类型分配内存。

访问资源所需要的步骤有：

访问资源的步骤

以上步骤如果最后一步是由程序员负责，可能会产生一些无法预测的问题，有很多程序员忘记释放不再使用的内存，又有很多程序员试图使用已被释放的内存（即野指针），这种问题一般无法预测它们的后果或者出现问题时的时间，如果是其他bug，一旦发现程序行为异常，修正问题即可，但是这种bug会造成资源泄露（浪费内存）和对象损坏（影响稳定性），这就使得程序的表现变得不可预测。而正确的进行资源管理通常很难而且很枯燥，它会极大的分散程序员的注意力，使之无法专注于真正要解决的问题。为了不让程序员过多的关注资源管理问题，需要有那么一种机制能简化程序员的内存管理工作，这个机制就叫做垃圾回收机制（Garbage Collection）。

2、C#资源类型介绍

托管资源和非托管资源

托管资源指的是.NET可以自动进行回收的资源，主要是指托管堆上分配的内存资源。托管资源的回收工作是不需要人工干预的，由.NET运行库在合适时机调用垃圾回收器进行回收。

非托管资源指的是.NET不知道如何回收的资源，最常见的一类非托管资源是包装操作系统资源的对象，例如：文件、窗口、网络连接、数据库连接、画刷、图标等。这类资源需要手动实现Finalize()或Dispose()方法释放资源。

非托管资源的处理不在本节内容中考虑。

3、托管堆资源的分配

CLR(Common Language Runtime 公共语言运行时，运行时有一些功能，如：内存管理、安全性、异常处理、线程，是由CLR完成的，CLR不是单独为某一种语言存在的，是面向CLR所有语言的存在，可理解为.Net的虚拟机)要求所有的资源都从托管堆分配。特殊的是我们永远不从托管堆中删除对象，因为应用程序不需要的对象会自动删除。

在进程初始化时，CLR要保留一块连续的地址空间，这个地址空间就是托管堆，托管堆还维护着一个指针NextObjPtr，它指向下一个对象在堆中的分配位置。

在IL指令创建对象时，经历了以下步骤：

1、计算类型（及其所有基类型）的字段需要的字节数；

2、对象开销所需字节数（两个开销字段：类型对象指针、同步块索引）；

3、CLR检查保留区域是否能够提供分配对象所需的字节数，如果托管堆有足够的可用空间，对象会被放入，调用构造函数、返回对象的地址、NextObjPtr指针指向下一个地址；

创建了ABC三个对象  

应用程序调用new操作符创建对象时，可能没有足够的地址空间来分配该对象。托管堆将对象所需的字节数加到NextObjPtr指针中的地址上来检测这种情况，如果结果值超过了地址空间的末尾，表明托管堆已满，必须执行一次垃圾回收（事实上垃圾回收是在第0代满的时候发生的，代的概念后面会讲到）。

二、垃圾回收过程

根（Roots）

类中定义的任何的静态字段、方法的参数、局部变量（仅限引用类型变量）等都是根，根是CLR在堆之外可以找到的各种入口点。垃圾回收器会去检查所有的应用程序根，遍历每个根所引用到的对象，将其标记为活动的（live ），所有的根对象都检查完之后，有标记的对象就是可达对象，未标记的对象就是不可达对象，不可达对象就是回收的目标。

根的概念

进一步理解：对象之间通过引用（指针）连在一起，构成一个有向图，对象构成这个有向图的节点，而引用关系构成这个有向图的边。从根（root）出发，沿着有向边遍历对象，可达的（reachable）对象标记为活动对象，不可达（unreachable）的对象就是要清除的非活动对象。

对象的引用关系

在上图中，可以从程序变量（root）直接访问块1，并且可以间接访问块2和3。程序无法访问块4和5。第一步将标记块1，并记住块2和3以供稍后处理。第二步将标记块2，第三步将标记块3，但不标记块2，因为它已被标记。扫描阶段将忽略块1，2和3，因为它们已被标记，但会回收块4和5（4、5没有根引用）。

堆栈示例（7所指向的就是垃圾）

垃圾回收过程

CLR开始GC时，首先会暂停进程中所有的线程，这样可以防止线程在CLR检查期间访问对象并更改其状态。

标记-清除

(1) 标记

标记的过程，其实就是判断对象是否可达的过程，即将该对象的同步块索引中的位设置为1，一个对象被标记后，CLR会检查那个对象的根，标记它们引用的对象，如果发现对象已经被标记，就不重新检查对象的字段，避免因为循环引用而产生的死循环。当所有的根都检查完毕后，堆中将包含可达（已标记）与不可达（未标记）对象；

(2)清除

标记完成后将不可达对象清除。

(3)压缩

垃圾回收器线性遍历堆，寻找到不可达对象的连续内存块，把可达对象移动到这里以压缩堆。这个过程有点类似磁盘空间的碎片整理。

标记-清除-压缩

压缩之后，指向这些对象的指针都会失效，垃圾回收器必须重新访问所有根，并修改它们来指向对象的新内存位置。托管堆的NextObjPtr指针指向了最后一个幸存对象之后的位置，下一个分配对象将放在这个位置。该阶段完成后，CLR恢复应用程序的所有线程，这些线程会继续访问对象，就好像GC从未发生过一样。

三、垃圾回收算法-分代（Generation）算法

该算法对我们的代码做出了几点假设：

1、对象越新，生存期越短；（对象新老和何时创建有关）

2、对象越老，生存期越长；（对象新老和何时创建有关）

3、回收堆的一部分，速度快于回收整个堆。

托管堆在初始化时不包含任何对象，添加到堆的对象被称为第0代对象，即是那些第一次新构造的对象，垃圾回收器从未检查过它们（GC还没有发生）。

如下图，它分配了5个对象（从A到E），他们都是第0代，过了一会儿，C和E变得不可达(unreacheable，没有根引用它们）

GC尚未发生

CLR初始化时为第0代对象选择一个预算容量（以KB为单位），如果分配一个新的对象造成第0代超过预算，就必须启动一次垃圾回收。

假设对象A到E刚好用完第0代的空间，那么分配新的对象F就必须启动垃圾回收，垃圾回收判断 C和E是垃圾（不可达），就会compact对象D，使之与对象B相邻（形成连续的地址空间），在这次垃圾回收中存活的对象A，B和D，现在成为了第1代对象，此时堆如图：

GC回收后

一次垃圾回收以后，第0代就不包含任何对象了(C和E被清理了，A,B,D变成了第1代对象），那么新对象的分配，就会在第0代中进行，这时候，新分配了对象F到K，这时候，随着应用程序的继续运行，对象B，H和J变得不可达，它们的内存将在某一时刻回收。

第1代有垃圾产生

现在，假定新分配的对象L会造成第0代超出预算，必须启动垃圾回收。开始垃圾回收时，垃圾回收必须检查哪些代？

前面说过，CLR初始化时，会为第0代对象选择预算。事实上，它还必须为第1代选择预算。

开始垃圾回收时，垃圾回收器还会检查第1代占用了多少内存。在本例中，由于第1代占用的内存远少于预算，所以垃圾回收器只检查第0代中的对象，回看之前的假设，越新的对象活得越短，因此，第0代中包含更多垃圾的可能性最大，能回收更多的内存。

由于忽略了第1代中的对象，所以加快了垃圾回收速度，因为你不必遍历拖管堆中所有的对象。

基于代的垃圾回收器还假设，越老的对象活得越长，也就是说，第1代对象在应用程序中很有可能是继续可达的，如果垃圾回收器检查第1代中的对象，有可能找不到多少垃圾，结果是回收不了多少内存，因此，对第1代进行垃圾回收很可能是浪费时间，如果真的有垃圾在第1代中，它将留在那里，此时的堆如图：

0代提升到1代

所有幸存下来的对象，都成为了第1代的一部分，由于垃圾回收器没有检查第1代，所以对象B虽然已经不可达，但他并没有被回收，同样，在一次垃圾回收后，第0代不包含任何对象（之前分配的对象变成了第1代，不可达的对象被清理），这时候应用程序继续执行，并分配对象L到O，在运行过程中，对象G，L和M变得不可达，此时的托管堆如下：

第1代

假设分配对象P导致第0代超过预算，垃圾回收发生。由于第1代中所有对象占据的内存仍小于预算，所以垃圾回收器决定再次只回收第0代，忽略第1代中不可达的对象（对象B和G），回收后的情况如下：

从上图可以看到，第1代正在缓慢的增长，假如第1代的增长也超出了预算，这时候应用程序继续运行，并分配对象P到S，使第0代对象超出了预算，这时候堆如下图：

这时候，应用程序试图分配对象T时，由于第0代已满，所以必须进行垃圾回收，但这一次，垃圾回收器发现第1代占用了太多的内存，以至于用完了预算，所以这次垃圾回收器决定检查第1代和第0代中所有的对象，两代都被垃圾回收后，堆的情况如下：

第2代产生

和之前一样，垃圾回收后，第0代幸存者成为了第1代，第1代的幸存者成为了第2代，第0代再次空出来了，准备迎接新对象的到来，第2代中的对象经过2次或是更多次的检查，但只有在第1代超了预算才会检查第2代的对象，而在此之前，一般都已经对第0代进行了好几次的垃圾回收。

CLR初始化时，会为每一代选择预算。这个预算是使用类似于启发式算法自动进行调节的。

如果新创建的对象生存周期很短，第0代垃圾也会立刻被垃圾回收器回收(不用等空间分配满)。另外，如果回收了第0代，发现还有很多对象“可达”，并没有释放多少内存，就会增大第0代的预算至512KB，回收效果就会转变为：垃圾回收的次数将减少，但每次都会回收大量的内存。如果还没有释放多少内存，垃圾回收器将执行完全回收(3代)，如果还是不够，则会抛出OutOfMemoryException异常。也就是说，垃圾回收器会根据回收内存的大小，动态的调整每一代的分配空间预算，达到自动优化！

四、总结

垃圾回收背后有这样一个基本的观念：编程语言(大多数的)似乎总能访问无限的内存。而开发者可以一直分配、分配再分配——像魔法一样，取之不尽用之不竭。

GC的基本工作原理是：通过最基本的标记清除原理，清除不可达对象；再像磁盘碎片整理一样压缩、整理可用内存；最后通过分代算法实现性能最优化。

2019.11.8 分享时问题记录：

1、第0代时幸存的对象变成第1代，那么有没有可能这个时候第0代幸存对象的空间算到第1代，导致第1代满了呢？

答：不会，因为第0代和第1代的预算容量相差悬殊，而且不是在第1代空间完全满的时候才清理内存的，而是差不多快满的时候就会清理内存，这个“快满”的空间是大于第0代的预算容量的；

各代预算容量

2、同步块索引，你刚刚说又可以锁住对象标记同步，又可以用来标记可达？

答：同步块索引的功能很多，即可以标记同步位，又可以标记可达，还可以存储哈希码；

https://blog.csdn.net/acmilanvanbasten/article/details/14521051  具体可以看看这篇文章，写的很详细。

3、不理解内存堆栈知识的可看这篇文章：

https://www.cnblogs.com/dotnet261010/p/9248555.html

参考文章：

https://www.jianshu.com/p/110c4363a1ff

http://www.west999.com/info/html/wangyezhizuo/css/20180623/4227150.html

https://zhuanlan.zhihu.com/p/68158037

https://yq.aliyun.com/articles/386565

https://my.oschina.net/BElement/blog/875626

https://www.cnblogs.com/nbclw/p/8458885.html

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