C#內存管理與垃圾回收

垃圾回收還得從根說起，就像生兒育女一樣。

根：根是一個位置，存放一個指針，該指針指向托管堆中的一個對象，或是一個空指針不指向任何對象，即為null。根存在線程棧或托管堆中，大部分的跟都在線程棧上，因為定義的變量就存在線程棧上，類型對象指針存在托管堆中，因為實例化一個對象要額外分配兩個字段“類型對象指針”和“同步塊索引”。

類型對象指針的作用。實例化一個對象并沒有為其方法分配內存，類型的靜態字段分配內存，而實例要向調用屬于類型的一些東西，就必須通過類型對象指針。如對象的實例是共用類型的方法，實例只需要通過類型對象指針調用類型的方法，更多關于方法的調用請看我的這篇博客。

同步塊索引的作用。1：用于lock，使對象在同一時刻只能一個線程訪問；2：用于獲取對象的hashCode;3:在垃圾回收時標志某個對象是否是垃圾。關于lock最經典的一個例子就是單例了，大家的實現都是實例化一個object對象，然后鎖住它，然后在判斷是否要實例要實現單例的那個對象。我們為什么要實例化一個object，而不是直接lock(typeof(object))，那是因為這樣會把object這個類型給鎖住，鎖住期間，任何使用線程使用lock(typeof(object))就必須等待，object還是可以正常使用。lock能起到單線程訪問的原因是：它里面有一個空的for死循環，一直在讀同步塊索引中的一個位，如果這個位沒有被標志跳出循環，如果被標志就一直執行循環，直到方法執行完成，其他線程就一直等待，現在你知道lock能使你的程序只能單線程反問也知道lock的效率低了吧。

NextObjPtr一個最牛B的指針。CLR中的所有資源都從托管堆中分配，托管堆是一塊連續的內存空間，維護一個指針NextObjPtr，它指向上一個對象地址的后面，下一個對象的開始位置，若托管堆中沒有對象就指向托管堆的開始位置，每分配一個對象就將NextObjPtr指向這個對象的后面，以準備開始分配下一個對象。NextObjptr指針移動的位置其實就是上一個對象所在空間的長度，從指向對象的開始位置改為對象的末尾嗎。從哪里開始分配對象就全靠NextObjPtr啦。

實例化一個對象需要多少空間？對象的所有字段所需的內存+類型對象指針+同步塊索引。關于類型對象指針和同步塊索引的作用前面已經提過了。有些字段沒有明顯定義，但它確確實實存在，每個對象除了object的對象都有base字段，通過它可以調用父類的實例字段和方法，通過它你可以訪問你爺爺的爺爺定義的字段和方法。CLR用遞歸的方式調用父類的方法，當然也要看，你爺爺是否愿意讓你調用，原因你懂的。

在垃圾回收開始之前速度比C快。對象就這樣開心的在托管堆中分配，托管堆的容量是有限的，總有一天第0代會滿，容不下一粒沙子。垃圾回收就出場了，在垃圾回收出場之前，你使用內存很happy，當然速度是非常快，比C語言的速度還快，因為C的內存是隨便分配，只要找到合適大小的區域，就在那里分配內存了，這樣會導致內存碎片，有時需要一塊大的內存，需要遍歷多處。垃圾回收的時候日子就不是那么好過了。速度肯定比C慢了，看下面你就知道垃圾回收的時候，程序的速度為什么慢了。

垃圾回收分兩步：1：標記；2：壓縮

1：標記。在垃圾回收開始的時候，垃圾回收器視托管堆中的所有對象都為垃圾，即線程棧上沒有指針指向托管堆。這樣的估計是因為一個對象被視為垃圾就是它沒有被引用，當垃圾回收開始的時候，垃圾回收器會沿著線程棧線性掃描，當線程棧上的一個變量引用了托管堆中的對象時，垃圾回收器就會將這個對象標記，即修改該對象同步塊索引中的一個特定的位，同步塊索引就是一個bit數組，每一個元素都有它特定的作用，上面就列出了我所知道的三個功能。被標記的對象也可能引用其他的對象，而被引用的對象同樣會被標記，垃圾回收器是用遞歸的方式將這些對象一一標記的，一個對象可能會被多個對象引用，當垃圾回收器發現某個對象被標記時就會退出遞歸，因為再往下遞歸完全是多余，而且還可能出現死循環。

垃圾回收器就這樣線性的掃描線程棧，遞歸的掃描托管堆，最后將托管堆中所有被引用的對象標記，而沒有被標記的對象就是垃圾，等著被回收。

2：壓縮。當垃圾被回收之后，就會出現磁盤碎片，那么就要對托管堆進行整理，即壓縮。將沒有被回收的對象放在一起，靠近托管堆開始的位置，將剩余的內存騰出空間來以便存放新的對象。由于壓縮很多對象就會移動位置，而引用他們的指針都會變得無效，所以托管堆要修改所有指針的指向，以保證不會因為垃圾回收而讓對象變得不可到達，指針變得無效。

壓縮完了之后，又騰出了空間，又可以分配新的對象，當第0代滿了之后又進行垃圾回收，垃圾回收就這樣一直進行著，直到回收了3代還是沒有內存可以分配，那就是彈盡糧絕的時候了，CLR會告訴你OutOfMemoryException。CLR的內存被的程序吃光了。更多關于代的信息，可以看我的這篇博客。在第0代滿的時候就會進行垃圾回收，第0代回收完之后還是沒有足夠的內存存放當前對象就回收第1代，如果還是不夠就回收第2代，夠就不回收下一代，垃圾回收還可以用代碼控制GC.Collect()。

更多關于內存管理和垃圾回收的內容，請等待我的下一篇博客。

作者：陳太漢

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