.NET 托管堆和垃圾回收

 

 托管堆基础
 简述：每个程序都要使用这样或那样的资源，包括文件、内存缓冲区、屏幕空间、网络连接.....事实上，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。以下是访问一个资源所需步骤：
1、调用IL指令newobj，为代表资源的类型分配内存。(C# new操作符)
2、初始化内存，设置资源的初始状态。（一般指构造函数）
3、访问类型的成员来使用资源。（使用成员变量、方法、属性等）
4、摧毁资源的状态以进行清除。（？？？Dispose？？？）
5、释放内存。（GC）

从托管堆分配资源
CLR  要求所有的对象都从托管堆分配。进程初始化，CLR划出一个地址空间区域作为托管堆。CLR还要维护一个指针，姑且叫NextObjPtr，该指针指向下一个对象在堆中的分配位置。刚开始的时候， NextObjPtr 设为地址空间区域的基地址。
一个区域被非垃圾对象填满后，CLR会分配更多的区域。这一个过程一直重复，直至整个进程地址空间被填满。所以，应用程序内存收进程的虚拟地址空间的限制。32位进程最多能分配1.5GB，64位进程最多能分配8T。
注：进程内存大小的相关资料
https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/windows/hardware/Dn613959(v=vs.85).aspx
https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms189334.aspx
http://blog.csdn.net/yusiguyuan/article/details/12405799;

 C# 的new操作符导致CLR执行以下操作：
1、计算类型的字段（以及从基类型继承的字段）所需要的字节数。
2、加上对象的开销所需的字节数。每个对象都有两个开销字段：类型对象指针和同步块索引。对于32位应用程序，这两个字段各需要32位，所以每个对象需要增加8字节。对于64位应用程序，这两个字段各需要64位，所以每个对象要增加16字节。
3、CLR检查区域中是否有分配对象所需的字节数。如果托管堆有足够的可用空间，就在NetxObjPtr指针指向的地址处放入对象，为对象分配的字节会被清零。接着调用类型的构造器（为this参数传递NextObjPtr），new操作符返回对象引用。就在返回这个对象引用之前，NextObjPtr指针的值会加上这个对象占用的字节数来得到一个新值，即下个对象放入托管堆时的地址。如下图：

垃圾回收算法
 CLR使用引用跟踪算法。引用跟踪算法只关心引用类型的变量，因为只有这种变量才能引用堆上面的对象；值类型变量直接包含值类型实例。引用类型变量可在许多场合使用，包括类的静态和实例字段，或者方法的参数和局部变量。这里我们将所有引用类型的变量都称为根。
CLR开始GC时，首先暂停所有的线程。(这样可以防止线程在CLR检查期间访问对象并更改其状态。) 然后CLR进入GC标记阶段。在这个阶段，CLR遍历堆中的所有对象，将同步块索引字段中的一位设为0。这表明所有的对象都应删除。然后，CLR检查所有的活动根，查看他们引用了哪些对象。这正是CLR的GC被称作引用跟踪GC的原因。如果一个根包含null，CLR忽略这个根并继续检查下一个根。
下图展示一个堆，其中包含几个对象。

应用程序的根直接引用对象A 、C、D 、F。所有的对象都已经被标记。标记对象D时，GC发现这个对象含有一个引用对象H的字段，造成对象H也被标记。标记过程会持续，直至应用程序的所有根所有检查完毕。
检查完毕后，堆中的对象要么已标记，要么未标记。已标记的对象不能被垃圾回收，因为至少有一个根在引用它。我们说这种对象是可达的，因为应用程序可以通过引用它的变量抵达它。 未标记的对象是不可达的，因为应用程序中不存在使对象能被再次访问的根。

CLR知道哪些对象可以幸存，哪些可以被删除后，进入GC的压缩（类似于碎片整理）阶段。在压缩阶段，CLR对堆中已标记的对象进行“乾坤大挪移”，整理所有幸存下来的对象，使他们占用连续的内存。这样做的好处在于：1、所有幸存对象在内存中紧挨在一起，恢复了引用的“局部性”，减少了应用程序的工作集，从而提升了将来访问这些对象时的性能；2、经过整理后，可用空间也是连续的，整个地址空间区段得到了解放，允许其他东西进驻。
在内存中移动了对象之后有一个问题亟待解决。引用幸存对象的根现在引用的还是对象最初在内存中的位置，而非移动后的位置。被暂停的线程恢复执行时，将访问旧的内存位置，会造成内存损坏。 这显然是不能容忍的，所以作为压缩阶段的一部分，CLR还要从每个根减去所引用对象在内存中偏移的字节数。这样就能保证每个根还是引用和之前一样的对象，只是对象在内存中变换了位置。
如图：

代：提升性能 (待续)

引自：《CLR VIA C# -21章》