什么是GC
GC如其名，就是垃圾收集，當(dāng)然這里僅就內(nèi)存而言。Garbage Collector（垃圾收集器，在不至于混淆的情況下也成為GC）以應(yīng)用程序的root為基礎(chǔ)，遍歷應(yīng)用程序在Heap上動(dòng)態(tài)分配的所有對(duì)象[2]，通過識(shí)別它們是否被引用來確定哪些對(duì)象是已經(jīng)死亡的、哪些仍需要被使用。已經(jīng)不再被應(yīng)用程序的root或者別的對(duì)象所引用的對(duì)象就是已經(jīng)死亡的對(duì)象，即所謂的垃圾，需要被回收。這就是GC工作的原理。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)原理，GC有多種算法。比較常見的算法有Reference Counting，Mark Sweep，Copy Collection等等。目前主流的虛擬系統(tǒng).NET CLR，Java VM和Rotor都是采用的Mark Sweep算法。
一、Mark-Compact 標(biāo)記壓縮算法
簡(jiǎn)單地把.NET的GC算法看作Mark-Compact算法。階段1: Mark-Sweep 標(biāo)記清除階段，先假設(shè)heap中所有對(duì)象都可以回收，然后找出不能回收的對(duì)象，給這些對(duì)象打上標(biāo)記，最后heap中沒有打標(biāo)記的對(duì)象都是可以被回收的；階段2: Compact 壓縮階段，對(duì)象回收之后heap內(nèi)存空間變得不連續(xù)，在heap中移動(dòng)這些對(duì)象，使他們重新從heap基地址開始連續(xù)排列，類似于磁盤空間的碎片整理。
Heap內(nèi)存經(jīng)過回收、壓縮之后，可以繼續(xù)采用前面的heap內(nèi)存分配方法，即僅用一個(gè)指針記錄heap分配的起始地址就可以。主要處理步驟：將線程掛起→確定roots→創(chuàng)建reachable objects graph→對(duì)象回收→heap壓縮→指針修復(fù)。可以這樣理解roots：heap中對(duì)象的引用關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜（交叉引用、循環(huán)引用），形成復(fù)雜的graph，roots是CLR在heap之外可以找到的各種入口點(diǎn)。
GC搜索roots的地方包括全局對(duì)象、靜態(tài)變量、局部對(duì)象、函數(shù)調(diào)用參數(shù)、當(dāng)前CPU寄存器中的對(duì)象指針（還有finalization queue）等。主要可以歸為2種類型：已經(jīng)初始化了的靜態(tài)變量、線程仍在使用的對(duì)象（stack+CPU register） 。 Reachable objects：指根據(jù)對(duì)象引用關(guān)系，從roots出發(fā)可以到達(dá)的對(duì)象。例如當(dāng)前執(zhí)行函數(shù)的局部變量對(duì)象A是一個(gè)root object，他的成員變量引用了對(duì)象B，則B是一個(gè)reachable object。從roots出發(fā)可以創(chuàng)建reachable objects graph，剩余對(duì)象即為unreachable，可以被回收 。
指針修復(fù)是因?yàn)閏ompact過程移動(dòng)了heap對(duì)象，對(duì)象地址發(fā)生變化，需要修復(fù)所有引用指針，包括stack、CPU register中的指針以及heap中其他對(duì)象的引用指針。Debug和release執(zhí)行模式之間稍有區(qū)別，release模式下后續(xù)代碼沒有引用的對(duì)象是unreachable的，而debug模式下需要等到當(dāng)前函數(shù)執(zhí)行完畢，這些對(duì)象才會(huì)成為unreachable，目的是為了調(diào)試時(shí)跟蹤局部對(duì)象的內(nèi)容。傳給了COM+的托管對(duì)象也會(huì)成為root，并且具有一個(gè)引用計(jì)數(shù)器以兼容COM+的內(nèi)存管理機(jī)制，引用計(jì)數(shù)器為0時(shí)，這些對(duì)象才可能成為被回收對(duì)象。Pinned objects指分配之后不能移動(dòng)位置的對(duì)象，例如傳遞給非托管代碼的對(duì)象（或者使用了fixed關(guān)鍵字），GC在指針修復(fù)時(shí)無(wú)法修改非托管代碼中的引用指針，因此將這些對(duì)象移動(dòng)將發(fā)生異常。pinned objects會(huì)導(dǎo)致heap出現(xiàn)碎片，但大部分情況來說傳給非托管代碼的對(duì)象應(yīng)當(dāng)在GC時(shí)能夠被回收掉
二、 Generational 分代算法
程序可能使用幾百M(fèi)、幾G的內(nèi)存，對(duì)這樣的內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行GC操作成本很高，分代算法具備一定統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)GC的性能改善效果比較明顯。將對(duì)象按照生命周期分成新的、老的，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律所反映的結(jié)果，可以對(duì)新、老區(qū)域采用不同的回收策略和算法，加強(qiáng)對(duì)新區(qū)域的回收處理力度，爭(zhēng)取在較短時(shí)間間隔、較小的內(nèi)存區(qū)域內(nèi)，以較低成本將執(zhí)行路徑上大量新近拋棄不再使用的局部對(duì)象及時(shí)回收掉。分代算法的假設(shè)前提條件：
1、大量新創(chuàng)建的對(duì)象生命周期都比較短，而較老的對(duì)象生命周期會(huì)更長(zhǎng)；
2、對(duì)部分內(nèi)存進(jìn)行回收比基于全部?jī)?nèi)存的回收操作要快；
3、新創(chuàng)建的對(duì)象之間關(guān)聯(lián)程度通常較強(qiáng)。heap分配的對(duì)象是連續(xù)的，關(guān)聯(lián)度較強(qiáng)有利于提高CPU cache的命中率，.NET將heap分成3個(gè)代齡區(qū)域: Gen 0、Gen 1、Gen 2；
Heap分為3個(gè)代齡區(qū)域，相應(yīng)的GC有3種方式: # Gen 0 collections, # Gen 1 collections, #Gen 2 collections。如果Gen 0 heap內(nèi)存達(dá)到閥值，則觸發(fā)0代GC，0代GC后Gen 0中幸存的對(duì)象進(jìn)入Gen1。如果Gen 1的內(nèi)存達(dá)到閥值，則進(jìn)行1代GC，1代GC將Gen 0 heap和Gen 1 heap一起進(jìn)行回收，幸存的對(duì)象進(jìn)入Gen2。
2代GC將Gen 0 heap、Gen 1 heap和Gen 2 heap一起回收，Gen 0和Gen 1比較小，這兩個(gè)代齡加起來總是保持在16M左右；Gen2的大小由應(yīng)用程序確定，可能達(dá)到幾G，因此0代和1代GC的成本非常低，2代GC稱為full GC，通常成本很高。粗略的計(jì)算0代和1代GC應(yīng)當(dāng)能在幾毫秒到幾十毫秒之間完成，Gen 2 heap比較大時(shí)，full GC可能需要花費(fèi)幾秒時(shí)間。大致上來講.NET應(yīng)用運(yùn)行期間，2代、1代和0代GC的頻率應(yīng)當(dāng)大致為1:10:100。
三、Finalization Queue和Freachable Queue
這兩個(gè)隊(duì)列和.NET對(duì)象所提供的Finalize方法有關(guān)。這兩個(gè)隊(duì)列并不用于存儲(chǔ)真正的對(duì)象，而是存儲(chǔ)一組指向?qū)ο蟮闹羔?。?dāng)程序中使用了new操作符在Managed Heap上分配空間時(shí)，GC會(huì)對(duì)其進(jìn)行分析，如果該對(duì)象含有Finalize方法則在Finalization Queue中添加一個(gè)指向該對(duì)象的指針。
在GC被啟動(dòng)以后，經(jīng)過Mark階段分辨出哪些是垃圾。再在垃圾中搜索，如果發(fā)現(xiàn)垃圾中有被Finalization Queue中的指針?biāo)赶虻膶?duì)象，則將這個(gè)對(duì)象從垃圾中分離出來，并將指向它的指針移動(dòng)到Freachable Queue中。這個(gè)過程被稱為是對(duì)象的復(fù)生（Resurrection），本來死去的對(duì)象就這樣被救活了。為什么要救活它呢？因?yàn)檫@個(gè)對(duì)象的Finalize方法還沒有被執(zhí)行，所以不能讓它死去。Freachable Queue平時(shí)不做什么事，但是一旦里面被添加了指針之后，它就會(huì)去觸發(fā)所指對(duì)象的Finalize方法執(zhí)行，之后將這個(gè)指針從隊(duì)列中剔除，這是對(duì)象就可以安靜的死去了。
.NET Framework的System.GC類提供了控制Finalize的兩個(gè)方法，ReRegisterForFinalize和SuppressFinalize。前者是請(qǐng)求系統(tǒng)完成對(duì)象的Finalize方法，后者是請(qǐng)求系統(tǒng)不要完成對(duì)象的Finalize方法。ReRegisterForFinalize方法其實(shí)就是將指向?qū)ο蟮闹羔樦匦绿砑拥紽inalization Queue中。這就出現(xiàn)了一個(gè)很有趣的現(xiàn)象，因?yàn)樵贔inalization Queue中的對(duì)象可以復(fù)生，如果在對(duì)象的Finalize方法中調(diào)用ReRegisterForFinalize方法，這樣就形成了一個(gè)在堆上永遠(yuǎn)不會(huì)死去的對(duì)象，像鳳凰涅槃一樣每次死的時(shí)候都可以復(fù)生
.NET的GC機(jī)制有這樣兩個(gè)問題：
首先，GC并不是能釋放所有的資源。它不能自動(dòng)釋放非托管資源。
第二，GC并不是實(shí)時(shí)性的，這將會(huì)造成系統(tǒng)性能上的瓶頸和不確定性。
GC并不是實(shí)時(shí)性的，這會(huì)造成系統(tǒng)性能上的瓶頸和不確定性。所以有了IDisposable接口，IDisposable接口定義了Dispose方法，這個(gè)方法用來供程序員顯式調(diào)用以釋放非托管資源。使用using語(yǔ)句可以簡(jiǎn)化資源管理。
GC注意事項(xiàng)：
1、只管理內(nèi)存，非托管資源，如文件句柄，GDI資源，數(shù)據(jù)庫(kù)連接等還需要用戶去管理。
2、循環(huán)引用，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等的實(shí)現(xiàn)會(huì)變得簡(jiǎn)單。GC的標(biāo)志-壓縮算法能有效的檢測(cè)這些關(guān)系，并將不再被引用的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)整體刪除。
3、GC通過從程序的根對(duì)象開始遍歷來檢測(cè)一個(gè)對(duì)象是否可被其他對(duì)象訪問，而不是用類似于COM中的引用計(jì)數(shù)方法。
4、GC在一個(gè)獨(dú)立的線程中運(yùn)行來刪除不再被引用的內(nèi)存。
5、GC每次運(yùn)行時(shí)會(huì)壓縮托管堆。
6、你必須對(duì)非托管資源的釋放負(fù)責(zé)。可以通過在類型中定義Finalizer來保證資源得到釋放。
7、對(duì)象的Finalizer被執(zhí)行的時(shí)間是在對(duì)象不再被引用后的某個(gè)不確定的時(shí)間。注意并非和C++中一樣在對(duì)象超出聲明周期時(shí)立即執(zhí)行析構(gòu)函數(shù)
8、Finalizer的使用有性能上的代價(jià)。需要Finalization的對(duì)象不會(huì)立即被清除，而需要先執(zhí)行Finalizer.Finalizer，不是在GC執(zhí)行的線程被調(diào)用。GC把每一個(gè)需要執(zhí)行Finalizer的對(duì)象放到一個(gè)隊(duì)列中去，然后啟動(dòng)另一個(gè)線程來執(zhí)行所有這些Finalizer，而GC線程繼續(xù)去刪除其他待回收的對(duì)象。在下一個(gè)GC周期，這些執(zhí)行完Finalizer的對(duì)象的內(nèi)存才會(huì)被回收。
9、.NET GC使用"代"(generations)的概念來優(yōu)化性能。代幫助GC更迅速的識(shí)別那些最可能成為垃圾的對(duì)象。在上次執(zhí)行完垃圾回收后新創(chuàng)建的對(duì)象為第0代對(duì)象。經(jīng)歷了一次GC周期的對(duì)象為第1代對(duì)象。經(jīng)歷了兩次或更多的GC周期的對(duì)象為第2代對(duì)象。代的作用是為了區(qū)分局部變量和需要在應(yīng)用程序生存周期中一直存活的對(duì)象。大部分第0代對(duì)象是局部變量。成員變量和全局變量很快變成第1代對(duì)象并最終成為第2代對(duì)象。
10、GC對(duì)不同代的對(duì)象執(zhí)行不同的檢查策略以優(yōu)化性能。每個(gè)GC周期都會(huì)檢查第0代對(duì)象。大約1/10的GC周期檢查第0代和第1代對(duì)象。大約1/100的GC周期檢查所有的對(duì)象。重新思考Finalization的代價(jià)：需要Finalization的對(duì)象可能比不需要Finalization在內(nèi)存中停留額外9個(gè)GC周期。如果此時(shí)它還沒有被Finalize，就變成第2代對(duì)象，從而在內(nèi)存中停留更長(zhǎng)時(shí)間。
