.Net 垃圾接纳机制道理（二）【C#.Net教程】,.Net，垃圾回收，机制原理

英文原文：Jeffrey Richter

编译：赵玉开

链接http://www.ki4.cn/

上一篇文章引见了.Net 垃圾接纳的基本道理和垃圾接纳实行Finalize要领的内部机制；这一篇我们看下弱援用对象，代，多线程垃圾接纳，大对象处置惩罚以及和垃圾接纳相干的机能计数器。
让我们从弱援用对象提及，弱援用对象能够减轻大对象带来的内存压力。
弱援用（Weak References）
当顺序的根对象指向一个对象时，这个对象是可达的，垃圾接纳器不能接纳它，这称为对对象的强援用。和强援用相对的是弱援用，当一个对象上存在弱援用时，垃圾接纳器能够接纳此对象，然则也许可顺序接见这个对象。这是怎样回事儿呢？请往下看。

假如一个对象上仅存在弱援用，而且垃圾接纳器在运转，这个对象就会被接纳，以后假如顺序中要接见这个对象，接见就会失利。另一方面，要运用弱援用的对象，顺序必需先对这个对象举行强援用，假如顺序在垃圾接纳器接纳这个对象之前对对象举行了强援用，如许（有了强援用以后）垃圾接纳器就不能接纳此对象了。这有点绕，让我们用一段代码来申明一下：

void Method() {
//建立对象的强援用
Object o = new Object(); 
// 用一个短弱援用对象弱援用o.
WeakReference wr = new WeakReference(o);

o = null; // 移除对象的强援用

o = wr.Target; //尝试从弱援用对象中取得对象的强援用
if (o == null) {
// 假如对象为空申明对象已被垃圾接纳器接纳掉了
} else {
// 假如垃圾接纳器还没有接纳此对象就能够继承运用对象了
}
}

为何须要弱对象呢？因为，有一些数据建立起来很轻易，然则却须要许多内存。比方：你有一个顺序，这个顺序须要接见用户硬盘上的一切文件夹和文件名；你能够在顺序第一次须要这个数据时接见用户磁盘生成一次数据，数据生成以后你就能够接见内存中的数据来获得用户文件数据，而不是每次都去读磁盘取得数据，如许做能够提拔顺序的机能。

题目是这个数据能够相称大，须要相称大的内存。假如用户去支配顺序的别的一部份功用了，这块相称大的内存就没有占用的必要了。你能够经由历程代码删除这些数据，然则假如用户立时切换到须要这块数据的功用上，你就必需从新从用户的磁盘上构建这个数据。弱援用为这类场景供应了一种简朴有用的计划。
当用户切换到其他功用时，你能够为这个数据建立一个弱援用对象，并把对这个数据的强援用解撤除。如许假如顺序占用的内存很低，垃圾接纳支配就不会触发，弱援用对象就不会被接纳掉；如许当顺序须要运用这块数据时就能够经由历程一个强援用来取得数据，假如胜利获得了对象援用，顺序就没有必要再次读取用户的磁盘了。

WeakReference范例供应了两个组织函数：

WeakReference(object target);
WeakReference(object target, bool trackResurrection);

target参数明显就是弱援用要跟踪的对象了。trackResurrection参数示意当对象的Finalize要领实行以后是不是还要跟踪这个对象。默许这个参数是false。有关对象的回生请参考这里。

轻易起见，不跟踪回生对象的弱援用称为“短弱援用”；而要跟踪回生对象的的弱援用称为“长弱援用”。假如对象没有完成Finalize要领，那末长弱援用和短弱援用是完全一样的。强烈发起你只管防止运用长弱援用。长弱援用许可你运用回生的对象，而回生对象的行动多是不能够预知的。
一旦你运用WeakReference援用了一个对象，发起你将这个对象的一切强用都设置为null；假如强援用存在的话，垃圾接纳器是永久都不能够接纳弱援用指向的对象的。
当你要运用弱援用目标对象时，你必需为目标对象建立一个强援用，这很简朴，只需用object a = weekRefer.Target;就能够了，然后你必需推断a是不是为空，弱不为空才能够继承运用，弱为空就示意对象已被垃圾接纳器接纳了，得经由历程其他要领从新取得此对象。
弱援用的内部完成
夙昔文中的形貌中我们能够推断出弱援用对象一定和平常对象的处置惩罚是不一样的。平常情况下假如一个对象援用了另一个对象就是强援用，垃圾接纳器就不能接纳被援用的对象，而WeakReference对象却不是如许子，它援用的对象是有能够被接纳的。
要完全明白弱对象是怎样事情的，我们还须要看一下托管堆。托管堆上有两个内部数据结构他们的唯一作用是治理弱援用：我们能够把它们称作长弱援用表和短弱援用表；这两个表寄存托管堆上的弱援用目标对象指针。
顺序运转之初，这两个表都是空的。当你建立一个WeakReference对象时，这个对象并非分派到托管堆上的，而是在弱对象表中建立一个空槽（Empty Slot）。短弱援用对象被放在短弱对象表中，长弱援用对象被放在长弱援用表中。
一旦发明空槽，空槽的值会被设置成弱援用目标对象的地点；明显是非弱对象表中的对象是不会看成应用顺序的根对象的。垃圾接纳器不会接纳是非弱对象表中的数据。
让我们来看下垃圾接纳实行时发作了什么：
1. 垃圾接纳器构建一个可达对象图，构建步骤请参考上文
2. 垃圾接纳器扫描短弱对象表，假如弱对象表中指向的对像没有在可达对象图中，那末这个对像就被标识为垃圾对象，然后短对象表中的对象指针被设置为空
3. 垃圾接纳器扫描闭幕行列（参考上文），假如行列中的对象不在可达对象图中，这个对象从闭幕行列中挪动到Freachable行列中，这时候，这个对象又被标识为可达对象，不再是垃圾了
4. 垃圾接纳器扫描长弱援用表。假如表中的对象不在可达对象图中（可达对象图中包含在Freachable行列中对象），将长援用对象表中对应的对象指针设置为null
5. 垃圾接纳器挪动可达对象
一旦你明白了垃圾接纳器的事情历程，就很轻易明白弱援用是怎样起作用了。接见WeakReference的Target属性致使体系返回弱对象表中的目标对象指针，假如是null，示意对象已被接纳了。
短弱援用不跟踪回生，这意味着垃圾接纳器能够在扫描闭幕行列之前搜检弱援用表中指向的对象是不是是垃圾对象。
而长弱援用跟踪回生对象，这意味着垃圾接纳器必需在确认对象接纳以后才能够将弱援用表中的指针设置为null。
代：
提起.Net的垃圾接纳，c++或许c顺序员能够就会想，这么治理内存会不会涌现机能题目呢。GC的开发人员一直在调解垃圾接纳器提拔它的机能。代就是一种为了下降垃圾接纳对机能影响的机制。垃圾接纳器在事情时会假定以下说法是建立的：
1. 一个对象越新，那末这个对象的生命周期就越短
2. 一个对象越老，那末这个对象的生命周期就越长
3. 新对象之间一般更能够和新对象之间存在援用关联
4. 紧缩堆的一部份要比紧缩全部堆要快
固然大批研讨证实以上几个假定在许多顺序上是建立的。那就让我们来谈谈这几个假定是怎样影响垃圾接纳器事情的吧。
在顺序初始化时，托管堆上没有对象。这时候新添到托管堆上的对象是的代是0.以下图所示，0代对象是最年青的对象，他们从来没有经由垃圾接纳器的搜检。

图1 托管堆上的0代对象

如今假如堆上添加了更多的对象，堆填满时就会触发垃圾接纳。当垃圾接纳器剖析托管堆时，会构建一个垃圾对象（图2中浅紫色块）和非垃圾对象的图。一切没有被接纳的对象会被挪动紧缩到堆的最底端。这些没有被接纳掉的对象就成为了1代对象，如图2所示

图2 托管堆上的0代1代对象

当堆上分派了更多的对象时，新对象被放在了0代区。假如0代堆填满了，就会触发一次垃圾接纳。这时候活下来的对象成为1代对象被挪动到堆的底部；再此发作垃圾接纳后1代对象中存活下来的对象会提拔为2代对象并被挪动紧缩。如图3所示：

图3 托管堆上的0、1、2代对象

2代对象是现在垃圾接纳器的最高代，当再次垃圾接纳时，没有接纳的对象的代数依旧坚持2.
垃圾接纳分代为何能够优化机能
如前所述，分代接纳能够进步机能。当堆填满以后会触发垃圾接纳，垃圾接纳器能够只挑选0代上的对象举行接纳，而疏忽更高代堆上的对象。但是，因为越年青的对象生命周期越短，因而，接纳0代堆能够接纳相称多的内存，而且接纳所耗的机能也比接纳一切代对象要少很多。
这是分代垃圾接纳的最简朴优化。分代接纳不须要方便全部托管堆，假如一个根对象援用了一个高代对象，那末垃圾接纳器能够疏忽高代对象和其援用对象的遍历，这会大大削减构建可达对象图的时候。
假如接纳0代对象没有开释出充足的内存，垃圾接纳器会尝试接纳1代和0代堆；假如依然没有取得充足的内存，那末垃圾接纳器会尝试接纳2，1，0代堆。详细味接纳那一代对象的算法不是肯定的，微软会延续做算法优化。
多半堆（像c-runtime堆）只需找到充足的余暇内存就分派给对象。因而，假如我一连分派多个对象时，这些对象的地点空间能够会相差几M。但是在托管堆上，一连分派的对象的内存地点是一连的。
前面的假定中还提到，新对象之间更能够存在互相援用关联。因而新对象分派到一连的内存上，你能够取得就近援用的机能优化（you gain performance from locality of reference）。如许的话极能够你的对象都在CPU的缓存中，如许CPU的许多支配就不须要去存取内存了。
微软的机能测试显现托管堆的分派速率比规范的win32 HeapAlloc要领还要快。这些测试也显现了200MHz的Pentium的CPU做一次0代接纳时候能够小于1毫秒。微软的优化目标是让垃圾接纳耗用的时候小于一次一般的页面毛病。
运用System.GC类掌握垃圾接纳
范例System.GC运转开发人员直接掌握垃圾接纳器。你能够经由历程GC.MaxGeneration属性取得GC的最高代数，现在最高代是定值2.

你能够挪用GC.Collect()要领强迫垃圾接纳器做垃圾接纳，Collect要领有两个重载：

void GC.Collect(Int32 generation)

void GC.Collect()

第一个要领许可你指定要接纳那一代。你能够传0到GC.MaxGeneration的数字做参数，传0只做0代堆的接纳，传1会接纳1代和0代堆，而传2会接纳全部托管堆。而无参数的要领挪用GC.Collect(GC.MaxGeneration)相称于全部接纳。

在一般情况下，不该该去挪用GC.Collect要领；最好让垃圾接纳器根据本身的算法推断什么时候该挪用Collect要领。尽管如此，假如你确信比运转时更相识什么时候该做垃圾接纳，你就能够挪用Collect要领去做接纳。比方说顺序能够在保存数据文件以后做一次垃圾接纳。比方你的顺序方才用完一个长度为10000的大数组，你不再须要他了，就能够把它设置为null然后实行垃圾接纳，减缓内存的压力。
GC还供应了WaitForPendingFinalizers要领。这个要领简朴的挂起实行线程，晓得Freachable行列中的清空以后，实行完一切行列中的Finalize要领以后才继承实行。
GC还供应了两个要领用来返回某个对象是几代对象，他们是

Int32 GC.GetGeneration(object o);

Int32 GC.GetGeneration(WeakReference wr)

第一个要领返回一般对象是几代，第二个要领返回弱援用对象的代数。

下面的代码能够协助你明白代的意义：

private static void GenerationDemo() {
// Let's see how many generations the GCH supports (we know it's 2)
Display("Maximum GC generations: " + GC.MaxGeneration);

// Create a new BaseObj in the heap
GenObj obj = new GenObj("Generation");

// Since this object is newly created, it should be in generation 0
obj.DisplayGeneration(); // Displays 0

// Performing a garbage collection promotes the object's generation
GC.Collect();
obj.DisplayGeneration(); // Displays 1

GC.Collect();
obj.DisplayGeneration(); // Displays 2

GC.Collect();
obj.DisplayGeneration(); // Displays 2 (max generation)

obj = null; // Destroy the strong reference to this object

GC.Collect(0); // Collect objects in generation 0
GC.WaitForPendingFinalizers(); // We should see nothing

GC.Collect(1); // Collect objects in generation 1
GC.WaitForPendingFinalizers(); // We should see nothing

GC.Collect(2); // Same as Collect()
GC.WaitForPendingFinalizers(); // Now, we should see the Finalize 
// method run

Display(-1, "Demo stop: Understanding Generations.", 0);
}
class GenObj{
public void DisplayGeneration(){
Console.WriteLine(“my generation is ” + GC.GetGeneration(this));
}

~GenObj(){
Console.WriteLine(“My Finalize method called”);
}
}

垃圾接纳机制的多线程机能优化

在前面的部份，我诠释了GC的算法和优化，然后议论的条件都是在单线程情况下的。而在实在的顺序中，许多是多个线程一同事情，多个线程一同支配托管堆上的对象。当一个线程触发了垃圾接纳，其他一切的线程都应当停息接见任何援用对象（包含他们本身栈上援用的对象），因为垃圾接纳器有能够要挪动对象，修正对象的内存地点。
因而当垃圾接纳器最先接纳时，一切实行托管代码的线程必需挂起。运转时有几种差别的机制能够平安的挂起线程来实行垃圾接纳。这一块的内部机制我不盘算细致申明。然则微软会延续修正垃圾接纳的机制来下降垃圾接纳带来的机能消耗。
下面几段形貌了垃圾接纳器在多线程情况下是怎样事情的：
完全中断代码实行当垃圾接纳最先实行时，挂起一切应用顺序线程。垃圾接纳器随后将线程挂起的位置纪录到一个just-in-time(JIT)编译器生成的表中，垃圾接纳器担任将线程挂起的位置纪录在表中，纪录当前正在接见的对象，以及对象寄存的位置（变量中，CPU寄存器中，等等）
挟制：垃圾接纳器能够修正线程的栈让返回地点指向一个特别的要领，当当前实行的要领返回时，这个特别的要领将会实行，挂起线程，这类转变线程实行途径的体式格局称为挟制线程。当垃圾接纳完成以后，线程会从新返回到之前实行的要领上。
平安点：当JIT编译器编译一个要领时，能够在某个点插进去一段代码推断GC是不是挂起，假如是，线程就挂起守候垃圾接纳完成，然后线程从新最先实行。JIT编译器插进去搜检GC代码的位置被称作“平安点”
请注意，线程挟制许可正在实行非托管代码的线程在垃圾接纳历程当中实行。假如非托管代码不接见托管堆上的对象时这是没有题目标。假如这个线程当前实行非托管代码然后返回实行托管代码，这个线程将会被挟制，直到垃圾接纳完成以后再继承实行。
除了我刚提到的集合机制以外，垃圾接纳器另有其他改进来加强多线程顺序中的对象内存分派和接纳。
同步开释分派（Synchronization-free Allocations）：在一个多线程体系中，0代堆被分红几个地区，一个线程运用一个地区。这许可多线程同时分派对象，并不须要一个线程独有堆。
可伸缩接纳(Scalable Collections)：在多线程体系中运转实行引擎的服务器版本（MXSorSvr.dll）.托管堆会被分红几个差别的地区，一个CPU一个地区。当接纳初始化时，每一个CPU实行一个接纳线程，各个线程接纳各自的地区。而事情站版本的实行引擎（MXCorWks.dll）不支持这个功用。
大对象接纳
这一块就不翻译了，有一篇特地的文章谈这件事儿
看管垃圾接纳
假如你安装了.Net framework你的机能计数器（最先菜单—治理工具—机能进入）中就会有.Net CLR Memory一项，你能够从实例列表中挑选某个顺序举行视察，以下图所示。

这些机能指标的详细寄义以下：

机能计数器	申明
# Bytes in all Heaps（一切堆中的字节数）	显现以下计数器值的总和：“第 0 级堆大小”计数器、“第 1 级堆大小”计数器、“第 2 级堆大小”计数器和“大对象堆大小”计数器。此计数器指导在垃圾接纳堆上分派的当前内存（以字节为单元）。
# GC Handles（GC 处置惩罚数量）	显现正在运用的垃圾接纳处置惩罚的当前数量。垃圾接纳处置惩罚是对公共言语运转库和托管环境外部的资本的处置惩罚。
# Gen 0 Collections（第 2 级接纳次数）	显现自应用顺序启动后第 0 级对象（即最年青、近来分派的对象）被垃圾接纳的次数。当第 0 级中的可用内存不足以满足分派要求时发作第 0 级垃圾接纳。此计数器在第 0 级垃圾接纳结束时递增。较高等的垃圾接纳包含一切较初级的垃圾接纳。当较高等（第 1 级或第 2 级）垃圾接纳发作时此计数器被显式递增。此计数器显现近来的视察所得值。_Global_ 计数器值不正确，应当疏忽。
# Gen 1 Collections（第 2 级接纳次数）	显现自应用顺序启动后对第 1 级对象举行垃圾接纳的次数。此计数器在第 1 级垃圾接纳结束时递增。较高等的垃圾接纳包含一切较初级的垃圾接纳。当较高等（第 2 级）垃圾接纳发作时此计数器被显式递增。此计数器显现近来的视察所得值。_Global_ 计数器值不正确，应当疏忽。
# Gen 2 Collections（第 2 级接纳次数）	显现自应用顺序启动后对第 2 级对象举行垃圾接纳的次数。此计数器在第 2 级垃圾接纳（也称作完全垃圾接纳）结束时递增。此计数器显现近来的视察所得值。_Global_ 计数器值不正确，应当疏忽。
# Induced GC（激发的 GC 的数量）	显现因为对 GC.Collect 的显式挪用而实行的垃圾接纳的峰值次数。让垃圾接纳器对其接纳的频次举行微调是切实可行的。
# of Pinned Objects（钉住的对象的数量）	显现上次垃圾接纳中碰到的钉住的对象的数量。钉住的对象是垃圾接纳器不能移入内存的对象。此计数器只跟踪被举行垃圾接纳的堆中的钉住的对象。比方，第 0 级垃圾接纳致使仅罗列第 0 级堆中钉住的对象。
# of Sink Blocks in use（正在运用的吸收块的数量）	显现正在运用的同步块的当前数量。同步块是为存储同步信息分派的基于对象的数据结构。同步块保存对托管对象的弱援用而且必需由垃圾接纳器扫描。同步块不局限于只存储同步信息；它们还能够存储 COM interop 元数据。该计数器指导与同步基元的过分运用有关的机能题目。
# Total committed Bytes（提交字节的总数）	显现垃圾接纳器当条件交的假造内存量（以字节为单元）。提交的内存是在磁盘页面文件中保存的空间的物理内存。
# Total reserved Bytes（保存字节的总数）	显现垃圾接纳器当前保存的假造内存量（以字节为单元）。保存内存是为应用顺序保存（但还没有运用任何磁盘或主内存页）的假造内存空间。
% Time in GC（GC 中时候的百分比）	显现自上次垃圾接纳周期后实行垃圾接纳所用运转时候的百分比。此计数器一般指导垃圾接纳器代表该应用顺序为网络和紧缩内存而实行的事情。只在每次垃圾接纳结束时更新此计数器。此计数器不是一个平均值；它的值反应了近来视察所得值。
Allocated Bytes/second（每秒分派的字节数）	显现每秒在垃圾接纳堆上分派的字节数。此计数器在每次垃圾接纳结束时（而不是在每次分派时）举行更新。此计数器不是一段时候内的平均值；它显现近来两个样本中观察的值的差除以取样距离时候所得的效果。
Finalization Survivors（完成时存留对象数量）	显现因正守候完成而从接纳后保存下来的举行垃圾接纳的对象的数量。假如这些对象保存对其他对象的援用，则那些对象也保存下来，但此计数器不对它们计数。“从第 0 级提拔的完成内存”和“从第 1 级提拔的完成内存”计数器示意因完成而保存下来的一切内存。此计数器不是积累计数器；它在每次垃圾接纳结束时由仅在该特定接纳时期存留对象的计数更新。此计数器指导因为完成应用顺序能够致使体系开支太高。
Gen 0 heap size（第 2 级堆大小）	显现在第 0 级中能够分派的最大字节数；它不指导在第 0 级中当前分派的字节数。当自近来接纳后的分派超出此大小时发作第 0 级垃圾接纳。第 0 级大小由垃圾接纳器举行微调而且可在应用顺序实行时期变动。在第 0 级接纳结束时，第 0 级堆的大小是 0 字节。此计数器显现挪用下一个第 0 级垃圾接纳的分派的大小（以字节为单元）。此计数器在垃圾接纳结束时（而不是在每次分派时）举行更新。
Gen 0 Promoted Bytes/Sec（从第 1 级提拔的字节数/秒）	显现每秒从第 0 级提拔到第 1 级的字节数。内存在从垃圾接纳保存下来后被提拔。此计数器是每秒建立的在相称长时候保存下来的对象的指导符。此计数器显现在末了两个样本（以取样距离延续时候来分别）中视察到的值之间的差别。
Gen 1 heap size（第 2 级堆大小）	显现第 1 级中的当前字节数；此计数器不显现第 1 级的最大大小。不直接在此代中分派对象；这些对象是夙昔面的第 0 级垃圾接纳提拔的。此计数器在垃圾接纳结束时（而不是在每次分派时）举行更新。
Gen 1 Promoted Bytes/Sec（从第 1 级提拔的字节数/秒）	显现每秒从第 1 级提拔到第 2 级的字节数。在此计数器中不包含只因正守候完成而被提拔的对象。内存在从垃圾接纳保存下来后被提拔。不会从第 2 级举行任何提拔，因为它是最旧的一级。此计数器是每秒建立的异常长时候保存下来的对象的指导符。此计数器显现在末了两个样本（以取样距离延续时候来分别）中视察到的值之间的差别。
Gen 2 heap size（第 2 级堆大小）	显现第 2 级中当前字节数。不直接在此代中分派对象；这些对象是在之前的第 1 级垃圾接纳时期从第 1 级提拔的。此计数器在垃圾接纳结束时（而不是在每次分派时）举行更新。
Large Object Heap size（大对象堆大小）	显现大对象堆的当前大小（以字节为单元）。垃圾接纳器将大于 20 KB 的对象视作大对象而且直接在特别堆中分派大对象；它们不是经由历程这些级别提拔的。此计数器在垃圾接纳结束时（而不是在每次分派时）举行更新。
Promoted Finalization-Memory from Gen 0（从第 1 级提拔的完成内存）	显现只因守候完成而从第 0 级提拔到第 1 级的内存的字节数。此计数器不是积累计数器；它显现在末了一次垃圾接纳结束时视察到的值。
Promoted Finalization-Memory from Gen 1（从第 1 级提拔的完成内存）	显现只因守候完成而从第 1 级提拔到第 2 级的内存的字节数。此计数器不是积累计数器；它显现在末了一次垃圾接纳结束时视察到的值。假如末了一次垃圾接纳就是第 0 级接纳，此计数器则重置为 0。
Promoted Memory from Gen 0（从第 1 级提拔的内存）	显现在垃圾接纳后保存下来而且从第 0 级提拔到第 1 级的内存的字节数。此计数器中不包含那些只因守候完成而提拔的对象。此计数器不是积累计数器；它显现在末了一次垃圾接纳结束时视察到的值。
Promoted Memory from Gen 1（从第 1 级提拔的内存）	显现在垃圾接纳后保存下来而且从第 1 级提拔到第 2 级的内存的字节数。此计数器中不包含那些只因守候完成而提拔的对象。此计数器不是积累计数器；它显现在末了一次垃圾接纳结束时视察到的值。假如末了一次垃圾接纳就是第 0 级接纳，此计数器则重置为 0。