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C#中的GC机制简析

news 来源：原创 2025/5/17 2:35:31

关于GC

在C#中，垃圾回收（Garbage Collection，GC） 是 .NET 框架的一部分，负责自动管理内存。垃圾回收机制的目标是识别和清理不再使用的对象，从而避免内存泄漏，并帮助开发者避免手动内存管理的复杂性。

1. GC的基本概念

垃圾回收器会监控对象的生命周期，并在对象不再使用时释放它们占用的内存空间。GC 会自动处理堆上的对象（例如通过 new 创建的对象），而栈上的局部变量和方法参数的生命周期则由作用域和栈帧的管理来处理。

2. GC的工作原理

垃圾回收的核心原理是基于对象的“可达性”（Reachability）来判断是否需要回收。具体来说，当某个对象没有任何活跃的引用指向它时，这个对象就被认为是“不可达的”，也就是垃圾对象。

GC 的过程一般分为以下几个步骤：

标记（Marking）：GC 会遍历所有的对象，并标记那些仍然被应用程序中的某些部分引用的对象。
清除（Sweeping）：在标记之后，GC 会清除没有被标记的对象，释放它们占用的内存。
压缩（Compacting）：GC 还可以将存活的对象压缩到内存的一端，避免堆中出现碎片。压缩步骤是可选的，并不是每次垃圾回收都会进行。

3. 垃圾回收的分代机制

.NET的垃圾回收采用了分代（Generational）的策略，它将堆分成三代：第0代（Gen 0），第1代（Gen 1），和第2代（Gen 2）。不同的代有不同的回收策略：

第0代：这是对象刚创建时所在的代。通常情况下，大部分对象都在这一代中。GC 很频繁地回收第0代的对象，因为大部分对象在创建后很快变得不可达。
第1代：第0代的对象经过一次垃圾回收后，如果依然存活，则被提升到第1代。第1代的垃圾回收频率低于第0代。
第2代：存活时间较长的对象会被提升到第2代。第2代的垃圾回收相对较少发生，它通常会涉及到更多的对象。

此外，还有大型对象堆（LOH, Large Object Heap），用于存放较大的对象（通常大于85,000字节），它不属于上面提到的三代系统。

4. 垃圾回收的触发

垃圾回收器会在以下情况下触发：

内存不足：当系统内存接近耗尽时，垃圾回收器会被触发。
系统请求：例如，当你显式调用 GC.Collect() 时，垃圾回收器会启动。
代晋升：当第0代对象经过垃圾回收后仍然存活时，它会被提升到第1代，甚至第2代；如果垃圾回收器发现第0代的内存占用了较多空间，它会启动回收。

5. 显式调用垃圾回收

虽然垃圾回收是自动进行的，但你可以显式地触发垃圾回收：

GC.Collect();  // 强制进行垃圾回收

但一般来说，显式调用 GC.Collect() 并不推荐，除非你有非常特殊的需求，因为垃圾回收机制已经很高效，并且手动触发垃圾回收可能会导致性能下降。

6. GC的回收过程

在垃圾回收时，GC 会处理如下几个方面：

标记（Mark）：GC 会通过引用链标记所有从根对象（如全局变量、局部变量、静态变量等）可达的对象。
清除（Sweep）：标记完成后，GC 会清除所有不可达的对象并释放它们占用的内存。
压缩（Compact）：压缩阶段将存活的对象整理到堆的一端，减少堆内存碎片。

7. GC的优化

以下是一些优化GC性能的技巧：

避免频繁分配小对象：频繁的分配和回收小对象会导致GC的频繁运行，影响性能。通过对象池等方法减少这种情况。
管理对象的生命周期：尽量在适当的时机释放对象的引用，确保它们可以尽早被GC回收。
使用 using 语句管理资源：对于实现了 IDisposable 接口的对象（如文件流、数据库连接等），使用 using 语句可以确保它们在使用完后及时释放。

8. GC的工作模式

.NET 中的垃圾回收器可以有两种不同的工作模式：

工作站模式（Workstation）：通常用于单机应用程序，GC 会根据需要回收内存。
服务器模式（Server）：用于多核服务器环境，GC 会使用多核并行回收，提升性能。

你可以通过设置配置文件来指定垃圾回收的工作模式。

9. GC的内存管理

在.NET中，内存分配和垃圾回收都发生在堆上。堆内存分为两部分：

小对象堆（SOH, Small Object Heap）：用于存储小对象。
大对象堆（LOH, Large Object Heap）：用于存储较大的对象。

10. GC的代际回收和压缩

当GC对某一代进行回收时，如果某一代内存已满，GC 会触发对所有代的回收，即全代回收。但一般情况下，GC 会尽量只回收较年轻的代（第0代和第1代），以减少性能开销。

关于LOH大型对象堆

在 .NET 中，大型对象堆（Large Object Heap，LOH） 是用于存放较大的对象（通常大于 85,000 字节）的内存区域。与小对象堆（SOH, Small Object Heap）不同，LOH 的内存管理有一些特殊之处，主要因为大型对象的内存分配和回收具有不同的效率考虑。LOH 的回收机制和其他堆的回收机制不同，且回收时的时机和触发条件也有所不同。

1. LOH的回收触发时机

LOH 在垃圾回收时，只有在满足以下几个条件时才会被回收：

内存不足：当 .NET 中的托管堆（包括 SOH 和 LOH）内存接近耗尽时，GC 会启动回收，包括对 LOH 的回收。
强制触发：你可以显式调用 GC.Collect() 来触发回收，但并不是每次调用都会回收 LOH。除非你明确要求进行 LOH 的回收，否则 LOH 的回收通常是由系统自动决定的。
满堆触发：如果 LOH 的内存空间已满，并且其他堆（如 SOH）的回收未能满足内存需求时，GC 会选择回收 LOH 中的对象。

2. LOH 回收的特殊性

与其他堆的回收不同，LOH 的回收具有一些特性和优化：

不进行压缩：在 .NET 中，LOH 在回收时不会进行压缩操作。也就是说，LOH 中的内存碎片不会被整理。LOH 中的对象在内存中是连续分配的，但回收时不会对其进行整理，而是直接释放不再使用的对象。
较少的回收频率：因为 LOH 中的对象通常比较大，因此 LOH 的回收通常较少发生。回收 LOH 的开销比小对象堆（SOH）要大得多，因为 LOH 的对象很大，回收它们可能会涉及到较为复杂的操作，特别是 LOH 的回收不会进行压缩，因此可能导致内存碎片的增加。
触发 LOH 回收的条件：LOH 的回收通常会在整个堆的垃圾回收（包括 SOH 和 LOH）时一起进行，尤其是在进行全代回收时。在这种情况下，GC 会回收第0代、第1代和第2代中的对象，同时也会回收 LOH 中的对象（但不会进行压缩）。

3. 如何查看 LOH 使用情况

你可以使用以下方法来查看 LOH 的使用情况：

GC.Collect(2)：显式地触发一个 全代回收，包括回收 LOH（如果需要）。你可以通过这种方法来观察 LOH 的回收行为。
内存分析工具：例如，使用 Visual Studio 的诊断工具、JetBrains dotMemory 或其他内存分析工具来查看 LOH 内存的使用和回收情况。

GC中的队列，FinalizationQueue和FreachableQueue

在 .NET 的垃圾回收（GC）机制中，Finalization Queue 和 Freachable Queue 是两个重要的概念，分别与对象的终结（finalization）和引用管理有关。这些队列是垃圾回收器处理对象生命周期和资源释放时的一部分。

1. Finalization Queue（终结队列）

Finalization Queue 是一个专门用于存放那些有终结器（即 Finalize 方法）的方法的对象的队列。在 .NET 中，终结器（也称为析构函数）是一个特殊的方法，它在对象被垃圾回收时执行。终结器的主要用途是执行一些清理操作，比如释放非托管资源（如文件句柄、数据库连接、网络套接字等）。

当对象有一个终结器时，它不会立即被垃圾回收器回收。相反，它会首先进入 Finalization Queue，然后等待垃圾回收器的处理。具体流程如下：

对象进入 Finalization Queue 后，会被标记为需要执行终结器的对象。
在垃圾回收过程中，这些对象不会被立即回收。垃圾回收器会首先清理没有终结器的对象，然后会扫描 Finalization Queue 中的对象。
对于 Finalization Queue 中的每个对象，垃圾回收器会运行它们的终结器（Finalize 方法）。
终结器运行完成后，该对象就准备好了可以被垃圾回收器释放内存。

需要注意：

终结器的执行是在垃圾回收过程中发生的，这意味着对象的内存不能立即被回收，直到终结器执行完毕。
由于终结器可能会导致对象存活时间延长，它们会影响垃圾回收的效率。为了避免这些问题，应该尽量通过实现 IDisposable 接口来释放资源，并使用 using 语句来确保资源的及时释放。
终结器的执行是非确定性的，意味着我们无法确定对象何时会执行终结器。

2. Freachable Queue（可达队列）

Freachable Queue 是一个内部队列，存放了所有当前存活的对象的引用。在垃圾回收过程中，GC 会通过根（root）对象（比如静态字段、线程栈中的局部变量等）递归地遍历所有引用的对象，直到它们不能被再引用为止。所有可以从根对象访问到的对象都会被认为是可达的，称为 存活对象。

Freachable Queue 里的对象是当前存活的对象。垃圾回收器在进行标记-清除过程时，会使用该队列来跟踪哪些对象是活动的（即仍然有引用指向它们）。
对于不可达的对象（没有任何活跃引用指向的对象），GC 会认为它们是垃圾对象，并准备进行回收。

4. GC 回收过程中的队列操作

标记阶段：GC 从根对象开始递归查找所有可达的对象，标记它们为存活对象。这些对象会进入 Freachable Queue。
终结阶段：对于有终结器的对象（即实现了 Finalize 方法的对象），它们会被放入 Finalization Queue，等待终结器的执行。
清理阶段：一旦终结器执行完毕，对象可以从 Finalization Queue 中移除，然后进入回收阶段，释放内存。

5. 如何优化

避免使用终结器：尽量避免在对象中使用 Finalize 方法。如果确实需要释放非托管资源，推荐使用 IDisposable 接口和 using 语句来显式释放资源，而不是依赖终结器。这样可以确保资源的及时释放，并减少GC的压力。
对象引用管理：合理管理对象的生命周期，避免不必要的引用保持，尽量减少 GC 需要清理的对象数量，降低回收的频率和延迟。