.Net 垃圾回收机制原理和算法（一）

有了Microsoft.Net clr中的垃圾回收机制程序员不需要再关注什么时候释放内存，释放内存这件事儿完全由GC做了，对程序员来说是透明的。尽管如此，作为一个.Net程序员很有必要理解垃圾回收是如何工作的。这篇文章我们就来看下.Net是如何分配和管理托管内存的，之后再一步一步描述垃圾回收器工作的算法机制。

为程序设计一个适当的内存管理策略是困难的也是乏味的，这个工作还会影响你专注于解决程序本身要解决的问题。有没有一种内置的方法可以帮助开发人员解决内存管理的问题呢？当然有了，在.Net中就是GC，垃圾回收。

让我们想一下，每一个程序都要使用内存资源：例如屏幕显示，网络连接，数据库资源等等。实际上，在一个面向对象环境中，每一种类型都需要占用一点内存资源来存放他的数据，对象需要按照如下的步骤使用内存：
1. 为类型分配内存空间
2. 初始化内存，将内存设置为可用状态
3. 存取对象的成员
4. 销毁对象，使内存变成清空状态
5. 释放内存

这种貌似简单的内存使用模式导致过很多的程序问题，有时候程序员可能会忘记释放不再使用的对象，有时候又会试图访问已经释放的对象。这两种bug通常都有一定的隐藏性，不容易发现，他们不像逻辑错误，发现了就可以修改掉。他们可能会在程序运行一段时间之后内存泄漏导致意外的崩溃。事实上，有很多工具可以帮助开发人员检测内存问题，比如：任务管理器，System Monitor AcitvieX Control, 以及Rational的Purify。

而GC可以完全不需要开发人员去关注什么时候释放内存。然而，垃圾回收器并不是可以管理内存中的所有资源。有些资源垃圾回收器不知道该如何回收他们，这部分资源就需要开发人员自己写代码实现回收。在.Net framework中，开发人员通常会把清理这类资源的代码写到Close、Dispose或者Finalize方法中，稍后我们会看下Finalize方法，这个方法垃圾回收器会自动调用。

不过，有很多对象是不需要自己实现释放资源的代码的，比如：Rectangle，清空它只需要清空它的left，right，width，height字段就可以了，这垃圾回收器完全可以做。下面让我们来看下内存是如何分配给对象使用的。

对象分配：

.Net clr把所有的引用对象都分配到托管堆上。这一点很像c-runtime堆，不过你不需要关注什么时候释放对象，对象会在不用时自动释放。这样，就出现一个问题，垃圾回收器是怎么知道一个对象不再使用该回收了呢？我们稍后解释这个问题。

现在有几种垃圾回收算法，每一种算法都为一种特定的环境做了性能优化，这篇文章我们关注的是clr的垃圾回收算法。让我们从一个基础概念谈起。

当一个进程初始化之后，运行时会保留一段连续的空白内存空间，这块内存空间就是托管堆。托管堆会记录一个指针，我们叫它NextObjPtr，这个指针指向下一个对象的分配地址，最初的时候，这个指针指向托管堆的起始位置。

应用程序使用new操作符创建一个新对象，这个操作符首先要确认托管堆剩余空间能放得下这个对象，如果能放得下，就把NextObjPtr指针指向这个对象，然后调用对象的构造函数，new操作符返回对象的地址。

图1托管堆

这时候，NextObjPtr指向托管堆上下一个对象分配的位置，图1显示一个托管堆中有三个对象A、B和C。下一个对象会放在NextObjPtr指向的位置（紧挨着C对象）

现在让我们再看一下c-runtime堆如何分配内存。在c-runtime堆，分配内存需要遍历一个链表的数据结构，直到找到一个足够大的内存块，这个内存块有可能会被拆分，拆分后链表中的指针要指向剩余内存空间，要确保链表的完好。对于托管堆，分配一个对象只是修改NextObjPtr指针的指向，这个速度是非常快的。事实上，在托管堆上分配一个对象和在线程栈上分配内存的速度很接近。

到目前为止，托管堆上分配内存的速度似乎比在c-runtime堆上的更快，实现上也更简单一些。当然，托管堆获得这个优势是因为做了一个假设：地址空间是无限的。很显然这个假设是错误的。必须有一种机制保证这个假设成立。这个机制就是垃圾回收器。让我们看下它如何工作。

当应用程序调用new操作符创建对象时，有可能已经没有内存来存放这个对象了。托管堆可以检测到NextObjPtr指向的空间是否超过了堆的大小，如果超过了就说明托管堆满了，就需要做一次垃圾回收了。

在现实中，在0代堆满了之后就会触发一次垃圾回收。“代”是垃圾回收器提升性能的一种实现机制。“代”的意思是：新创建的对象是年轻一代，而在回收操作发生之前没有被回收掉的对象是较老的对象。将对象分成几代可以允许垃圾回收器只回收某一代的对象，而不是回收所有对象。

垃圾回收算法：

垃圾回收器