托管堆和垃圾回收(GC)

自闭症网瘾萝莉.ら 提交于 2020-03-05 01:20:24

一、基础

首先,为了深入了解垃圾回收(GC),我们要了解一些基础知识:

  • CLR:Common Language Runtime,即公共语言运行时,是一个可由多种面向CLR的编程语言使用的“运行时”,包括内存管理、程序集加载、安全性、异常处理和线程同步等核心功能。
  • 托管进程中的两种内存堆:
    • 托管堆:CLR维护的用于管理引用类型对象的堆,在进程初始化时,由CLR划出一个地址空间区域作为托管堆。当区域被非垃圾对象填满后,CLR会分配更多的区域,直到整个进程地址空间(受进程的虚拟地址空间限制,32位进程最多分配1.5GB,而64位最多可分配8TB)被填满。
    • 本机堆:由名为VirtualAlloc的Windows API分配的,用于非托管代码所需的内存。
  • NextObjPtr:CLR维护的一个指针,指向下一个对象在堆中的分配位置。初始为地址空间区域的基地址。
  • CLR将对象分为大对象和小对象,两者分配的地址空间区域不同。我们下方的讲解更关注小对象。
    • 大对象:大于等于85000字节的对象。“85000”并非常数,未来可能会更改。
    • 小对象:小于85000字节 的对象。

然后明确几个前提:

  • CLR要求所有引用类型对象都从托管堆分配。
  • C#是运行于CLR之上的。

C#new一个新对象时,CLR会执行以下操作:

  1. 计算类型的字段(包括从基类继承的字段)所需的字节数。
  2. 加上对象开销所需的字节数。每个对象都有两个开销字段:类型对象指针和同步块索引,32位程序为8字节,64位程序为16字节。
  3. CLR检查托管堆是否有足够的可用空间,如果有,则将对象放入NextObjPtr指向的地址,并将对象分配的字节清零。接着调用构造器,对象引用返回之前,NextObjPtr加上对象真正占用的字节数得到下一个对象的分配位置。

弄清楚以上知识点后,我们继续来了解CLR是如何进行“垃圾回收”的。

二、垃圾回收的流程

我们先来看垃圾回收的算法与主要流程:
算法:引用跟踪算法。因为只有引用类型的变量才能引用堆上的对象,所以该算法只关心引用类型的变量,我们将所有引用类型的变量称为
主要流程:
1.首先,CLR暂停进程中的所有线程。防止线程在CLR检查期间访问对象并更改其状态。
2.然后,CLR进入GC的标记阶段。
 a. CLR遍历堆中的对象(实际上是某些代的对象,这里可以先认为是所有对象),将同步块索引字段中的一位设为0,表示对象是不可达的,要被删除。
 b. CLR遍历所有,将所引用对象的同步块索引位设为1,表示对象是可达的,要保留。
3.接着,CLR进入GC的碎片整理阶段。
 a. 将可达对象压缩到连续的内存空间(大对象堆的对象不会被压缩)
 b. 重新计算所引用对象的地址。
4.最后,NextObjPtr指针指向最后一个可达对象之后的位置,恢复应用程序的所有线程。

三、垃圾回收的具体细节

CLR的GC是基于代的垃圾回收器,它假设:

  • 对象越新,生存期越短
  • 对象越老,生存期越长
  • 回收堆的一部分,速度快于回收整个堆

托管堆最多支持三代对象:

  • 第0代对象:新构造的未被GC检查过的对象
  • 第1代对象:被GC检查过1次且保留下来的对象
  • 第2代对象:被GC检查大于等于2次且保留下来的对象

第0代回收只会回收第0代对象,第1代回收则会回收第0代和第1代对象,而第2代回收表示完全回收,会回收所有对象。

CLR初始化时,会为第0代和第1代对象选择一个预算容量(单位:KB)。如下图,CLR为ABCD四个第0代对象分配了空间,如果创建一个新的对象导致第0代容量超过预算时,CLR会进行GC。

A0 B0 C0(不可达) D0       

GC后的堆如下图,ABD三个对象提升为第1代对象,此时无第0代对象

A1 B1 D1               

假设程序继续执行到某个时刻时,托管堆如下,其中FGHIJ为第0代对象

A1 B1 D1(不可达) F0 G0(不可达) H0 I0 J0

根据GC假设的前两条可知,它会优先检查第0代对象,那么GC第0代回收后的托管堆如下,FHIJ提升为第1代对象

A1 B1 D1(不可达) F1 H1 I1 J1       

随着第1代的增加,GC会发现其占用了太多内存,所以会同时检查第0代和第1代对象,如某个时刻的托管堆如下,其中K为第0代对象

A1 B1 D1(不可达) F1 H1(不可达) I1 J1 K0

GC第1代回收后的托管堆如下,其中ABFIJ都为第2代对象,K为第1代对象。

A2 B2 F2 I2 J2 K1                 

还有一些额外的规则需要注意:

  • 在进行第1代回收之前,一般都已经对第0代对象回收了好几次了。
  • 如果对象提升到了第2代,它会长期保持存活,基本上只有当GC进行完全垃圾回收(包括0、1、2代的对象)时才会进行回收。
  • 如果GC回收第0代时发现回收了大量内存,则会缩减第0代的预算,这意味着GC更频繁,但做的事情也减少了;反之,如果发现没有多少内存被回收,就会增大第0代的预算,这意味着GC次数更少,但每次回收的内存相对要多。对于第1代和第2代对象来说,也是如此。
  • 如果回收后发现仍然没有得到足够的内存且无法增大预算,GC就会执行一次完全垃圾回收,如果还不够,就会抛出OutOfMemoryException异常。

四、何时进行垃圾回收

  • 应用程序new一个对象时,CLR发现没有足够的第0代对象预算来分配该对象时
  • 代码显式调用System.GC.Collect()方法时。注意不要滥用该方法
  • Windows报告低内存情况时
  • CLR正在卸载AppDomain时。会回收该AppDomain的所有代对象
  • CLR正在关闭时。CLR在进程正常终止(而不是通过任务管理器等外部终止)时关闭,会回收进程中的所有对象。

五、垃圾回收模式

CLR启动时,会选择一个GC主模式,该模式不会更改,直到进程终止。

  • 工作站:默认的,针对客户端应用程序进行优化。GC造成的时延很低,不会导致UI线程出现明显的假死状态
  • 服务器:针对服务器端应用程序进行优化,主要是优化吞吐量和资源利用。

可以在配置文件中告诉CLR使用服务器回收模式:

<configuration>
    <runtime>
        <gcServer enabled="true"/>
    </runtime>
</configuration>

另外,GC还支持两种子模式:并发(默认)和非并发。主要区别在于并发模式中GC有一个额外的后台线程,它能在应用程序运行时并发标记对象。可以在配置文件中告诉CLR不要使用并发回收模式:

<configuration>
    <runtime>
        <gcConcurrent enabled="false"/>
    </runtime>
</configuration>

当然,你也可以通过GCSetting类的GCLatencyMode属性对垃圾回收进行某些控制(在你没有完全了解影响的情况下,强烈建议不要更改):

模式 说明
Batch 关闭并发GC,.net framework 版本服务器模式默认值
Interactive 打开并发GC,工作站模式与 .net core 版本服务器模式的默认值
LowLatency 在短期的、时间敏感的操作中(如动画绘制)使用这个低延迟模式,该模式会尽力阻止第2代垃圾回收,因为花费时间较多,只有当内存过低时才会回收第2代。
SustainedLowLatency 这个低延迟模式不会导致长时间的GC暂停,该模式会尽力阻止非并发GC线程对第2代垃圾回收(但是允许后台GC线程对其的回收),只有当内存过低时才会阻塞回收第2代,适用于需要迅速响应的应用程序(如股票等)。

另外,还有一个模式叫做NoGCRegion,用于在程序执行关键路径时将GC线程挂起。但是你不能将该值直接赋值给GCLatencyMode属性,要通过调用System.GC.TryStartGCRegion方法才可以,并调用System.GC.EndGCRegion方法结束。

六、注意事项

  • 静态字段引用的对象会一直存在,直到用于加载类型的AppDomain卸载为止
  • 由于碎片整理的开销相对较大,因此GC在划算时才会进行碎片整理,并非每次都会执行。
  • 大对象始终为第2代,而且目前版本GC不会压缩大对象,因为移动代价过高。
  • 第0代和第1代总是位于同一个内存段,而第2代可能跨越多个内存段。

七、特殊的Finalize(终结器)

包含本机资源的类型被GC时,GC会回收对象在托管堆中使用的内存。但这样会造成本机资源的泄漏,为了处理这种情况,CLR提供了称为终结的机制——允许对象在判定为垃圾之后,但在对象内存被回收前执行一些代码。在C#中的表示如下:

class SomeType
{
    // 这是一个 Finalize 方法
    ~SomeType() { }
}

其生成的IL代码为:

可以看到,C#编译器实际是在模块的元数据中生成了名为Finalizeprotected override方法,并且方法主体的代码被放置在try块中,并在finally块中调用base.Finalize(本例调用了Object的终结器)。

那么,终结的内部是如何工作的呢?

  1. new新对象时,如果该对象的类型定义了Finalize方法,那么在该类型的实例构造器被调用之前,会将指向该对象的指针放到一个终结列表中,该列表由GC内部控制。
  2. 当可终结对象被回收时,会将引用从终结列表移动到freachable队列中,该队列由GC内部控制。
  3. CLR会启用一个特殊的高优先级线程来专门调用Finalze方法。freachable队列为空时,该线程将睡眠;但一旦队列中有记录项出现,线程就会被唤醒,将每一项都从freachable队列中移除,并调用每个对象的Finalize方法。

如果类型的Finalize方法是从System.Object继承的,CLR就不认为该对象是“可终结”的,只有当类型重写了ObjectFinalize方法时,才会将类型及其派生类型的对象视为“可终结”的。

注意,除非有必要,否则应尽量避免定义终结器。原因如下:

  • 可终结对象在回收时,必须保证存活,这就可能导致其被提升为另一代,生存期延长,导致内存无法及时回收。另外,其内部引用的所有对象也必须保证都存活,一些被认为是垃圾的对象在可终结对象回收后也无法直接回收,直到下一次(甚至多次)GC时才会被回收。
  • Finalize 方法在GC完成后才会执行,而GC的执行时机无法控制,也就导致该方法的执行时间也无法控制。
  • Finalize 方法中不要访问其他可终结对象,因为CLR无法保证多个 Finalize 方法的执行顺序。如果访问了已终结的对象,Finalize 方法抛出未处理的异常,导致进程终止,无法捕捉异常。

在实际项目开发中,想要避免释放本机资源基本不可能,但是我们可以通过规范代码来规避异常,这就需要用到IDisposable接口了。示例代码如下:

public class MyResourceHog : IDisposable
{
    //标识资源是否已被释放
    private bool _hasDisposed = false;

    public void Dispose()
    {
        Dispose(true);
        //阻止GC调用 Finalize
        GC.SuppressFinalize(this);
    }

    /// <summary>
    /// 如果类本身包含非托管资源,才需要实现 Finalize
    /// </summary>
    ~MyResourceHog()
    {
        Dispose(false);
    }

    protected virtual void Dispose(bool isDisposing)
    {
        if (_hasDisposed) return;

        //表明由 Dispose 调用
        if (isDisposing)
        {
            //释放托管资源
        }
        //释放非托管资源。无论 Dispose 还是 Finalize 调用,都应该释放非托管资源

        _hasDisposed = true;
    }
}

public class DerivedResourceHog : MyResourceHog
{
    //基类与继承类应该使用各自的标识,防止子类设置为true时无法执行基类
    private bool _hasDisposed = false;

    protected override void Dispose(bool isDisposing)
    {
        if (_hasDisposed) return;

        if (isDisposing)
        {
            //释放托管资源
        }
        //释放非托管资源

        base.Dispose(isDisposing);

        _hasDisposed = true;
    }
}
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