.Net 自动内存管理

.Net依赖CLR(公共语言运行时)实现自动内存管理，标准CLR使用分代式标记-压缩GC对托管堆上对象进行自动内存管理。

1、GC过程

（1）标记阶段：从应用程序的根找到所有可达对象进行标记并创建一个对象引用图；

每个应用程序都有一组根，应用程序的根包含线程堆栈上的静态字段、局部变量和参数以及CPU寄存器。垃圾回收器可以访问由实时编译器（JIT）和运行时维护的活动根的列表。

（2）清除阶段：

a、未标记对象如果没有终结器（析构函数）则立即回收；

b、有终结器对象在创建时会将对象引用放到终结队列，当此对象变为垃圾时，垃圾收集器会将其引用从终结队列移到f-reachable队列。GC完成后一个终结器线程会遍历f-reachable队列，获取每个对象执行其Finalize方法，待该对象的Finalize方法执行完后，将该对象引用从f-reachable队列移除。这些对象会在下一次GC中回收（除非该对象复活）；

如果某个终结器对象在终结器过程中复活（Resurrection）,但是复活时不会将对象的引用重新放到终结队列，如果想让复活对象下次回收时执行Finalize方法，可以在对象复活时手动调用GC.ReRegisterForFinalize(obj)将该对象的引用添加到终结队列。

另外GC.SuppressFinalize(Object obj)可以将对象的引用从终结队列移除，垃圾回收时不再执行Finalize方法。一般SuppressFinalize用于同时实现了Finalize和Dispose方法来释放资源的情况下，在Dispose方法中调用GC.SuppressFinalize(this)。Finalize方法作为忘记调用Dispose释放资源的一个保障。

（3）压缩阶段：清除完后将所有存活对象移到堆的起始位置。压缩可以防止碎片化，同时避免耗时的空内存片段列表维护，直接用简单的策略将堆的尾部内存分配给新对象。

2、GC触发时机：

（1）由托管堆上已分配对象的使用内存超过特定阈值（该阈值可能随着进程的运行不断调整）时；

（2）调用System.GC.Collect手动触发；

（3）系统具有低的物理内存。通过OS的内存不足通知或主机指示的内存不足检测出来。

3、CLR中GC优化

3.1、分代回收

垃圾回收器将堆上内存对象分为3代：

第0代：新分配对象及从未经过垃圾回收的对象集合。通常仅有几百KB到几MB；

第1代：第0代回收中存活的对象集合；

第2代：第1代和第2代中未回收的对象集合。

因此可以单独处理长生存期和短生存期对象。每一代都维护一个阀值，当第n代内存达到该阀值时会触发对第n代的收集，当垃圾回收器检测到某个代中的幸存率很高时，会增加该代的分配阈值。回收一代时同时回收它前面的所有代。

图2-1 堆上的各代内存（引用C#7.0核心技术指南）

3.2 、大对象堆（Large Object Heap,LOH）

加载CLR时，GC分配两个初始堆段：一个用于小型对象（小对象堆SOH）,一个用于大型对象（大对象堆 LOH）。垃圾回收器将大于等于一个阈值（目前是85000字节）的对象分配到大对象堆。大对象堆上对象都按第2代处理，可以避免过量的第0代回收。由于复制大型对象代价太大，默认不压缩大对象堆，所以需要维护空闲内存块链表，并会产生碎片化问题。在.Net Core和.Net Framework 4.5.1以上版本中，可以使用GCSettings.LargeObjectHeapCompactionMode 属性按需压缩大对象堆。

3.3、并发和后台回收

（1）并发垃圾回收

仅适用于工作站垃圾回收的.Net Framework 3.5及更早版本；服务器垃圾回收.Net Framework 4及更早版本。更高版本中，后台垃圾回收取代了并发垃圾回收。

并发垃圾回收只影响第2代垃圾回收，第0代和第1代的垃圾回收始终是非并发的。并发垃圾会输在一个专用线程上执行，运行并发垃圾回收线程的大多数时间，托管线程可以继续运行，最大程度减少因回收引起的暂停。

（2）后台垃圾回收

在.Net Framework 4 及更高版本中，后台垃圾回收替换并发垃圾回收。但在.Net Framework 4 中仅支持工作站垃圾回收，.Net Framework 4.5开始，后台垃圾回收可用于工作站和服务器垃圾回收。

后台垃圾回收只适用于第2代回收，后台垃圾回收在一个或多个专用线程上执行行，后台垃圾回收进行中，后台垃圾回收线程将在常见的安全点上检查，如果发现第0代或第1代空间不足需要前台垃圾回收时，后台垃圾回收会暂停自己并让前台垃圾回收（对暂时代（第0代和第1代）的回收）执行。前台垃圾回收完成之后，后台回收线程和用户线程将继续。

3.4、工作站和服务器垃圾回收

CLR提供以下类型的垃圾回收，可以基于工作负载的特征设置垃圾回收类型：

（1）工作站垃圾回收：为客户端应用设计；

回收发生在触发垃圾回收的用户线程上，并保留与用户线程相同的优先级（普通优先级），所以垃圾回收线程必须与其它线程竞争CPU时间。

（2）服务器垃圾回收：用于需要高吞吐量和可伸缩性的服务器应用程序

回收发生在以 THREAD_PRIORITY_HIGHEST 优先级运行的多个专用线程上，为每个CPU提供一个用于执行垃圾回收的一个堆和专用线程，多个垃圾回收线程一起工作。

3.4、垃圾回收通知（为担负大量请求的服务器应用准备）

服务器版本的CLR可以在完全垃圾回收之前发送通知。可以调用GC.RegisterForFullGCNotification启用通知。然后开启另一个线程持续监听GC.WaitForFullGCApproach()，当返回的GCNotificationStatus表示即将进行一次回收时，将工作负载重定向到另一个服务器实例，然后监听GC.WaitForFullGCComplete()，当该方法返回的状态表明回收完毕时在重新开始接受请求。

4、弱引用

CLR由System.WeakReference类实现弱引用，将Target属性设置为该对象。当垃圾收集器遇到一个弱引用指针指向对象时，不会将该对象加入引用关系图中。如果一个对象只有弱引用指向它，该对象不会被标记，垃圾回收时就可以清除此对象。

（1）短弱引用

垃圾回收回收对象后，弱引用的Target会变为null。弱引用本身时托管对象，也需要经过垃圾回收。

（2）长弱引用

在对象的Finalize方法调用后，长弱引用获得保留。这样便可以重新创建新对象。

若要建立强引用，可以将WeakReference的Target属性（前提是Target属性不为null，即对象未被回收）强制转换为对象类型。