.NET Discovery 系列之七--深入理解.NET垃圾收集机制(拾贝篇)

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.NET Discovery 系列之七--深入理解.NET垃圾收集机制(拾贝篇)

　　关于.Net垃圾收集器(Garbage Collection)，Aicken已经在“.Net Discovery 系列”文章中有2篇的涉及，这一篇文章是对上2篇文章的补充，关于“.Net Discovery 系列”文章索引请见本文结尾。

　　第一节.垃圾回收算法与完整收集(Full GC)

　　垃圾收集器就是跟踪所有被引用到的对象，整理对象不再被引用的对象，回收相应的内存，它使用“标记与清除”算法，分两步回收对象:

　　Step 1.Mark-Sweep ：从应用程序的root出发，利用相互引用关系，遍历其在Heap上动态分配的所有对象，指明需要回收的对象，标记出那些存活的对象，予以标记。

　　Step 2.Compact： 对内存中存活的对象进行移动，修改它们的指针，使之在内存中连续，这样空闲的内存也就连续了，即完成了内存释放工作，也解决了内存碎片问题，这个过程也可以成为指针的压缩。

　　垃圾收集器一般将托管堆中的对象分为3代，这可以通过调用GC.MaxGeneration得知，对象按照存在时间长短进行分代，最短的分在第0代，最长的分在第2代，第2代中的对象往往是比较大的，第二代空间被称作Large Object Heap，对于2代对象的回收，与第0、1代回收方式相比最大的不同在于，没有了指针移动的压缩过程。

图1 对象的回收

　　如上图所示，左边的区域为第一次GC时的结构，需要注意的是GC标记的是那些存活的对象，而不是需要回收的，所以第一次回收，对象B、D没有被标记，所以被回收了，之后GC移动了对象内存指针，使空间连续。

　　接下来看中间的部分，第二次GC开始了，C对象没有被标记，所以被回收了，接下来A、D、F三个对象被压缩，形成连续的内存空间，并且形成了第1、2、3代区域。

　　接下来看最右边的部分，D对象没有被标记，由于D对象处于第2代中，所以回收D对象后，GC没有启动压缩步骤，因为对于大对象的指针移动，资源耗费成本很高。

　　对于第2代的GC称为Full GC，新分配的对象在第0代(0代空间最大长度通常为256K)，按地址顺序分配，它们通常是一些局部变量；第1代(1代空间最大长度通常为2 MB)是经过0代垃圾收集后仍然驻留在内存中的对象，它们通常是一些如表单，按钮等对象；第2代是经历过几次垃圾收集后仍然驻留在内存中的对象，它们通常是一些应用程序对象。

　　可见一次Full GC需要的资源是最多的，可能是几秒或十几秒。

　　托管堆的内存分配以段(Segment)为单位，CLR启动时通常为GC Heap创建2个段，分别用来存储第0、1代对象和第2代对象，以下是通过Windbg工具查看到的GC Heap情况：

图2 WinDbg 查看GC Heap情况

　　可以看出，GC堆被分成了两个段，三代，每代起始地址十进制差值为12。

　　在理解方面需要注意的是，GC回收的是程序中的引用类型，值类型是保存在堆栈之中，当值类型对象出了作用域后会自动释放内存----即弹栈，不需要垃圾收集器管理。

　　第二节.GC的工作模式

　　GC的工作模式分3种，Workstation GC with Concurrent GC off、 Workstation GC with Concurrent GC on、Server GC ，在.Net 2.0以上版本可以通过修改Config文件来改变GC工作模式，例如启用Server GC：

<configuration> 
<runtime> 
   <gcServer enabled="true" /> 
</runtime> 
</configuration>

　　或者通过.Net配置工具，查看“我的电脑”节点属性可以方便的改变GC工作模式，如下图：

图3 GC工作模式

　　Workstation GC without Concurrent: 用于单CPU的服务器，策略引擎会调节GC工作频率，使用挂起->查找与标记->压缩->恢复的流程进行GC工作。

　　Workstation GC with Concurrent: Concurrent GC与Non Concurrent GC模式相比，有着更敏捷的反应速度，Winform应用程序和Windows services 服务程序默认采用这种模式，单CPU机器上只能使用workstation GC方式，默认为 Workstation GC with Concurrent。

　　在这种模式下，第0、1代的收集仍然是要暂时挂起应用程序的，只有在收集第2代时，才会并行处理，这种并行收集是利用多CPU。

　　对Full GC进行并行处理，具体原理是将Full GC过程切分成多个短暂子过程对线程进行冻结，在线程冻结时间之外，应用程序仍然可。

　　以正常运行。这主要通过将0代空间设置的很大，使Full GC时，CLR仍然能够在0代中进行内存分配，如果Full GC时0代内存也已用尽，那么应用程序将被挂起，等待Full GC的完成。

　　Server GC: 用于多CPU的服务器，这种GC模式有着很高的性能和效率。这种模式下，CLR为每个CPU创建一个专用的GC线程，每个CPU可以独立的为相应的heap执行GC操作，这些GC线程是以非并发的形式工作的，收集工作与线程正常工作不能同时进行，这就是说第0、1、2代的收集都会挂起应用线程。

　　在.Net 4.0中，有一种新的垃圾收集机制，叫做后台收集。这种机制以concurrent GC为基础的，如上文所讲，Workstation GC with Concurrent模式中，在Full GC过程时，CLR仍然能够在0代中进行内存分配，如果Full GC时0代内存也已用尽，那么应用程序将被挂起，等待Full GC的完成。

　　这个过程在后台收集机制中是这样工作的，在进行Full GC时可以同时进行第0、1代收集，并且后台收集是一个独立线程完成的，这个进程任务优先级低于第0、1代收集，如果在后台收集中需要对第0、1代收集，后台收集将会等待第0、1代收集完成后再进行工作，当然第0、1代收集是需要短暂挂起应用的。

　　后台收集还会根据策略引擎的指示，动态调节第0、1代的容量，减少前台收集(第0、1代收集)次数。

　　第三节 .Net 4.0中的垃圾收集器

　　在.Net 3.5 SP1中，FrameWork中新增了如下方法，并且在4.0中进行了优化，GC.RegisterForFullGCNotification 、GC.WaitForFullGCApproach 、GC.WaitForFullGCComplete 、GC.CancelFullGCNotification，这几个方法都是针对Full GC（完整收集）的。

　　1.GC.RegisterForFullGCNotification：这个方法将返回一个将要Full GC的信号通知，该方法有2个参数：

int maxGenerationThreshold
int largeObjectHeapThreshold

　　这两个参数的含义是指的是第2代中存活的对象个数和大对象堆中对象个数，满足这两个参数后，便会引发通知,由此看来LOH也许并不是第2代，.Net GC也许也并不只是3代，

　　这一点在.Net Discovery 系列之三--深入理解.Net垃圾收集机制(上)中已有描述。

　　2.GC.CancelFullGCNotification：取消已经注册的垃圾收集通知

　　这两个方法调用示例：

代码

// Variable for continual checking in the 
// While loop in the WaitForFullGCProc method.
static bool checkForNotify = false;
 
// Variable for suspending work 
// (such servicing allocated server requests)
// after a notification is received and then 
// resuming allocation after inducing a garbage collection.
static bool bAllocate = false;
 
// Variable for ending the example.
static bool finalExit = false;
 
// Collection for objects that  
// simulate the server request workload.
static List<byte[]> load = new List<byte[]>();
 
 
public static void Main(string[] args)
{
    try
    {
        // Register for a notification. 
        GC.RegisterForFullGCNotification(10, 10);
        Console.WriteLine("Registered for GC notification.");
 
        checkForNotify = true;
        bAllocate = true;
 
        // Start a thread using WaitForFullGCProc.
        Thread thWaitForFullGC = new Thread(new ThreadStart(WaitForFullGCProc));
        thWaitForFullGC.Start();
 
        // While the thread is checking for notifications in
        // WaitForFullGCProc, create objects to simulate a server workload.
        try
        {
            int lastCollCount = 0;
            int newCollCount = 0;
            while (true)
            {
                if (bAllocate)
                {
                    load.Add(new byte[1000]);
                    newCollCount = GC.CollectionCount(2);
                    if (newCollCount != lastCollCount)
                    {
                        // Show collection count when it increases:
                        Console.WriteLine("Gen 2 collection count: {0}", GC.CollectionCount(2).ToString());
                        lastCollCount = newCollCount;
                    }
 
                    // For ending the example (arbitrary).
                    if (newCollCount == 500)
                    {
                        finalExit = true;
                        checkForNotify = false;
                        break;
                    }
                }
            }
 
        }
        catch (OutOfMemoryException)
        {
            Console.WriteLine("Out of memory.");
        }
        finalExit = true;
        checkForNotify = false;
        GC.CancelFullGCNotification();
 
    }
    catch (InvalidOperationException invalidOp)
    {
 
        Console.WriteLine("GC Notifications are not supported while concurrent GC is enabled.\n"
            + invalidOp.Message);
    }
}

　　3.GC.WaitForFullGCApproach：用来获得垃圾收集器是否将要启动完整垃圾收集的工作，该方法返回GCNotificationStatus枚举值，当枚举为Succeeded时，

　　你应当做一些工作，例如阻止手动调用GC.Collect()方法，以免浪费资源。

　　该方法应与GC.WaitForFullGCComplete()同时使用，以确定CLR执行了完整垃圾收集。

// 查看是否将启动完整收集
GCNotificationStatus s = GC.WaitForFullGCApproach();
if (s == GCNotificationStatus.Succeeded)
{
    //do not GC.Collect()
}
else if (s == GCNotificationStatus.Canceled)
{
   // GC.Collect()
}

　　4.GC.WaitForFullGCComplete：

　　用来获得垃圾收集器是否已经完成完整垃圾收集：

代码

GCNotificationStatus s = GC.WaitForFullGCApproach ();
s = GC.WaitForFullGCComplete ();
if (s == GCNotificationStatus.Succeeded)      //已经完成了Full GC
{
     //do not GC.Collect()
}
else if(s == GCNotificationStatus.Canceled)
{
     // GC.Collect()
}