基于代的垃圾回收机制--《CLR via C#》读书笔记

我们知道，垃圾回收在内存无限大的理想情况下是不需要的，正是因为内存存在的瓶颈，我们才需要垃圾回收。在《垃圾回收算法之引用计数算法》和《垃圾回收算法之引用跟踪算法》两篇文章中，我们了解了垃圾回收算法的基本原理，并介绍了两种垃圾回收算法。本篇是在垃圾回收的前提下，通过代的机制更进一步地提升程序的性能。

一.程序局部性原理

程序局部性原理是一种总结性的原理，它是指在程序执行时呈现局部性规律，即在一段时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某一部分。相应地，执行所访问的存储空间也局限于某个内存区域。

这个局部性原理有两层含义：一层是时间局部性，如果一个变量正在被访问，那么它近期很有可能被再次访问；一层是空间局部性，马上要使用的信息与正在使用的信息在空间地址上是临近的。

通俗地讲：对象越新，生存期越短，对象越老，生存期越长。

二.代

C#的GC把托管堆分为3代，依次为G0、G1、G2，G0总是用来分配新对象，垃圾回收中G0幸存的对象放到对象生存期更长的G1中，在下一次的回收G1中垃圾后，G1中垃圾的对象放到对象生存期更长的G2中；CLR初始化时会为G0、G1、G2分配空间预算，每一代的垃圾回收只有在本代的空间预算用完后才会启动垃圾回收。

下面，我们通过《CLR via C#》中的例子来理解代的运行机制：

在托管堆初始化时不包含对象，添加到堆中的对象称为0代对象。



在step1中，G0中新进了3个对象，过了一会了，对象c变得不可达了，现在我要分配一个新的对象d、e、f，这时G0超过了预算了。

前面我们说过，G0总是用来分配新对象，因此虽然这时G1和G2空间是足够的，但也不能用来分配给新对象；另外，前面我们也说过，每一代的垃圾回收只有在本代的 空间预算用完后才会启动垃圾回收。

因此，我们需要启动G0的垃圾回收，将c回收掉，将a、b幸存，并升级到G1中，经过第1次的垃圾回收后如下：



回收后的G0是空的，正好可以用来分配新进的d、e、f，如下所示：



过了一段时间后，f变成可达了，现在我们要分配新的对象g、h、i，发现G0被占满了，于是回收G0（注意这时不回收G1，因为G1的空间预算还没有用完），并将d和e加入G1，经过这次的回收后如下图所示：



回收后的G0又变空了，可以容纳新的对象，如下所示：



现在，我们要分配新的对象，j、k、l，这时发现G0和G1的空间预算都用完了，于是回收G0和G1，并将G1中幸存的对象升至G2,G0中幸存的对象升至G1，经过这次的回收后如下图所示：



回收过后的G0又变空了，可以容纳新的对象j、k、l。依此往复。如果没有回收到足够多的内存时，垃圾回收器就会执行一次完整的垃圾回收，如果还是不够，就抛出OutOfMemoryException异常。

三.程序局部性原理在代机制中的应用

前面，我们谈到了程序局部性原理，其中说对象越新生存期越短，具体到代机制中，G0总是存着最新的对象，因此G0中包含垃圾的可能性也就更大，能回收更多的内存，对于G0的回收也更频繁。

同理，对于G1的回收就没有那么频繁了，因为根据程序局部性原理，G1中的对象活得更长，在回收G0且G1的内存没有超出预算时，如果也去回收G1中的垃圾，有可能找不出多少垃圾，因此对G1的垃圾回收有可能是浪费时间。

也就是说G0回收时，如果G1没有超出预算，是不会回收G1的，如果G1有垃圾，它将留在G1当中，，这样就加快了回收的速度。

四.另一个提升性能的重要因素：不必遍历所有根

另一个提升性能的重要因素，在于我们不必遍历所有的根，如果根或对象引用了老一代的对象，垃圾回收器就可以忽略老对象内部的所有引用，能更快地构建对象可达图。

但问题来了，如果老对象在原来的程序中是不可达的，在G0引入新对象后，又引用了新对象呢？那如何更新老对象的引用呢？

垃圾回收器利用了JIT编译器内部的一个机制，在对象的引用字段发生变化时，会设置一个相应的位标志，这样垃圾回收器就知道自上一次垃圾回收以来，哪些老对象已被写入，只有字段发生变化的老对象才需要是否引用了G0中的任何新对象。

五.大对象

到目前为止，前面我们说的都是小对象，CLR认为超过85000字节的即是大对象。针对大对象：

大对象不在小对象的地址空间分配，而在进程地址空间的其他地方分配

目前，GC不压缩，因为在内存中移动它代价太高，但这可能造成大对象之间造成碎片化

大对象总是G2，所以只能为需要长时间存活的资源创建大对象，分配短时间存活的大对象会导致G2被频繁地回收，会损害性能。

六.内存预算的调节—自调节

垃圾回收器会在执行垃圾回收的过程中了解应用程序的行为，同时根据行为来动态调整G0、G1、G2的预算。

假如应用程序构建了相当多的短时间使用的对象，造成G0的垃圾回收会回收大量内存，就可能减少G0的预算，这样G0的回收将更加频繁，但垃圾回收器每次做的事情也就更少了，这减少了进程的工作集。如果G0中全是垃圾，则不需要经过压缩内存，直接让NextObjPrj指针指回G0的开始处即可。这样回收起来更快！

假如垃圾回收器在回收G0时发现还有很多对象存活，就会增大G0的预算，垃圾的回收次数将减少，但每次垃圾回收时，回收的内存就会多得多。

参考

《CLR via C#》（第4版）