GC总结

内存基础知识

下面的列表总结了重要的 CLR内存概念。

·        每个进程都有其自己单独的虚拟地址空间。同一台计算机上的所有进程共享相同的物理内存，如果有页文件，则也共享页文件。

·        默认情况下，32 位计算机上的每个进程都具有 2 GB 的用户模式虚拟地址空间。

·                    作为一名应用程序开发人员，您只能使用虚拟地址空间，请勿直接操控物理内存。垃圾回收器为您分配和释放托管堆上的虚拟内存。如果您编写的是本机代码，请使用Win32 函数处理虚拟地址空间。 这些函数为您分配和释放本机堆上的虚拟内存。

·        虚拟内存有三种状态：

o   可用。 该内存块没有引用关系，可用于分配。

o   保留。 内存块可供您使用，并且不能用于任何其他分配请求。但是，在该内存块提交之前，您无法将数据存储到其中。

o   提交。 内存块已指派给物理存储。

·        可能会存在虚拟地址空间碎片。就是说地址空间中存在一些被称为孔的可用块。 当请求虚拟内存分配时，虚拟内存管理器必须找到满足该分配请求的足够大的单个可用块。 即使您具有 2 GB 的可用空间，2 GB 的分配请求也有可能会不成功，除非所有这些空间必须位于单个的地址块中。

·        如果用完保留的虚拟地址空间或提交的物理空间，则可能会用尽内存。

堆

进程初始化期间，CLR保留两个区段（segment）的虚拟地址空间：一个区段是普通堆，另一个区段是大对象堆。每个区段的大小是不同的。对于客户端应用程序，每个区段约为16MB；对于服务器应用程序，每个区段大约为64MB。还有一些其他因素会影响区段的大小，例如是32位还是64位操作系统上运行，以及机器安装的CPU数量，在CPU较多的机器上，区段会小一些。随着区段装满非垃圾对象，CLR会分配更多的区段，这个操作一直继续，直到整个进程都满了为止。

代

垃圾回收是在第0代满的时候发生的。使用代（generation）的机制的唯一目的就是提高性能。基本思路是，第0代是最近分配的对象，从未被垃圾回收算法检查过。在一次垃圾回收中存活下来的对象被提升到另一代。如经过一次垃圾回收，第0代被提升为第1代；第1代被提升为第2代。

GC会检查托管堆中是否有应用程序不再使用的对象。如果有，他们使用的内存就可以被回收，如果回收完毕后，仍然没有可用内存，那么new操作符会抛出一个OutOfMemoryException。

垃圾回收

有5种事件导致垃圾回收：

1.     第0代满

2.     显式调用GC.Collect

3.     Windows报告内存不足

4.     CLR卸载AppDomain

5.     CLR关闭（进程关闭）

CLR使用一个高优先级，专用的线程来调用Finalize方法。对于前四种情况，如果一个Finalize方法进入了无限循环，那么这个特殊的线程就会被阻塞，其他Finalize方法就得不到调用。因为应用程序永远都不能回这些可终结对象的内存，只要程序还在运行，内存就会一直泄露。

对于第五种情况，每个Finalize方法大约有2秒的时间返回。如果2秒之内没有返回，CLR将直接杀死该进程。另外调用所有Finalize方法的时间超过了40秒，CLR也会杀死进程。这些值在将来有可能会发生改变。

即使实例的构造函数抛出了异常，实例的Finalize方法也会被调用，所以不应在Finalize方法中假定对象处于一致的状态。

对于一个可终结对象，在其构造函数被调用之前，此对象将被放入终结列表（finalization list）中。该列表是一个由GC控制的数据结构，它包含了所有可被终结的对象。在垃圾回收开始后，GC扫描终结列表，将垃圾对象从列表中移除（因为非垃圾对象会被标记，所以垃圾对象就是那些没有被标记的对象），然后将其添加到Freachable队列中，该队列是CLR的另一个内部数据结构。其中的每一个对象的Finalize方法都已经准备好被调用。当Freachable队列为空时，负责调用Finalize方法的线程会睡眠。当队列进入记录项，线程被唤醒，每一项都会被移除并调用Finalize方法。因此在Finalize方法中不应该对执行线程做任何假设。

虽然System.Object类型定义了Finalize方法，但是CLR知道忽略它。

当对象被添加到Freachable队列时，这个对象（及其引用的对象）复活了，因为对象现在是可达的了。现在GC不再认为对象是垃圾，所以GC不会回收这些对象的内存。此时特殊的线程清空Freachable队列并调用Finalize方法。当下一次垃圾回收的时候，会发现被终结的对象是垃圾对象，将会进行内存回收。整个过程中，需要两次垃圾回收才能收回这些对象占有的内存。实际情况下可终结对象会被提升代，所以需要不止两次回收才能收回这些对象占有的内存。

调用GC.SupressFinalize方法，将会打开当前对象的一个标志位，次标志位被打开后，CLR就不会把对象添加到Freachable队列。

大对象堆

任何大于或等于85000字节的对象都被视为大对象，大对象从大对象堆中分配。大对象和小对象一样终结和释放，但是大对象永不压缩。但是此行为在4.5.1中可以更改。大对象总是属于第二代，所以大对象很难被回收，所以尽量不要分配临时大对象。

在4.5.1中，使用如下代码压缩大对象堆，每次压缩完毕，GCSettings.LargeObjectHeapCompactionMode被重置为默认值。还要注意的是，后台垃圾回收器永远不会压缩大对象堆。

GCSettings.LargeObjectHeapCompactionMode =GCLargeObjectHeapCompactionMode.CompactOnce;

GC.Collect(); 

预测大量内存操作是否成功

实现一个算法时，可能需要事先知道该算法需要大量内存。如果直接执行算法，有可能抛出OutOfMemoryException，这种情况下，之前的工作算是白做了。.NetFramework提供System.Runtime.MemoryFailPoint类，它允许在消耗内存的算法开始之前检测是否有充足内存。

创建 MemoryFailPoint 对象并指定下操作 (MB)需要使用MB 的内存位数。 如果没有足够的内存不可用， 将引发InsufficientMemoryException 异常。 MemoryFailPoint 运行在 16 MB 粒度。 所有值小于 16MB 视为 16 MB，同时，其他值视为 16 MB 的下一个更大的多个。

以下代码保留了1G内存用于执行算法，

try

{

    using (MemoryFailPoint mfp =newMemoryFailPoint(1000))

    {

        //Do Anything needs 1G memory

    }

}

catch (InsufficientMemoryException)

{

    Console.WriteLine("InsufficientMemory");

}

如果MemoryFailPoint类的构造器没有抛出异常，表明逻辑上已经保留了请求的内存。但是请求的物理内存尚未分配。这表示，算法只是更有可能获得所需的内存并允许成功，并不表示一定会分配到所需的物理内存。此类只是帮助你写更健壮的程序。

线程劫持

当GC开始内测回收的时候，所有线程都必须挂起，因为这些线程不能再访问内存中的对象。这是因为GC线程要压缩内存，压缩过程中，对象的引用可能变得无效，所以只能在GC完成后，其他线程才能继续执行。

GC开始的时候，CLR会对其他线程进行劫持，使其进入一个特殊的函数，而这个函数将会进入一个临界区。所以如果在GC线程正在垃圾回收的时候，使用WinDbg查看进程中所有其他线程的堆栈，那么回发现，所有这些线程都进入了同一个方法，并且都试图获取同一个临界区。

并不是任何时刻都可以劫持线程，必须等待线程进入一个安全点。如果CLR创建了一个新对象，但是还没有将对象赋值给变量，此时劫持线程就不可行的，或者说线程不在一个安全点上。若是此时劫持线程并进行垃圾回收，那么新对象将被垃圾回收，而变量指向一个无效地址。

垃圾回收模式

垃圾回收模式包括工作站模式和服务器模式，使用如下配置节来配置模式，默认情况下使用工作站模式。

<runtime>

   <gcServer enabled="true"/>

 </runtime>

还可以在运行时获取垃圾回收模式是否为服务器模式，如下：

GCSettings.IsServerGC{get;}

该模式不能在运行时修改。

GC延迟模式

有四种延迟模式可供选择

·        Batch

·        Interactive

·        LowLatency

·        SustainedLowLatency

该模式可以在运行时获取或者设置，如下：

GCSettings.LatencyMode= GCLatencyMode.SustainedLowLatency;

这里面有一些版本问题，第四种模式只被.Net Framework4.0支持，而且只能用于工作站模式，但是到了.Net Framework 4.5，也可以用于服务器模式。

.Net Framework提供了配置节用于配置延迟模式，如下：

<gcConcurrentenabled="true"/>

要注意的是，这是个bool值，而且名称也不是gcLatencyMode。所以不能完全对应到四种延迟模式，具体的对应关系如下：

 

gcServer=true

gcServer=false

gcConcurrent =true

·         .Net4.5之前：Batch

·         .Net 4.5之后：SustainedLowLatency

 

·         .Net4.0之前：Interactive

·         .Net 4.0之后：SustainedLowLatency

 

gcConcurrent =false

Batch

Batch

对于服务器模式Interactive和LowLatency模式是无效的，但是在运行却能看到LatencyMode是Interactive。这也许是.Net的Bug。

总结一下，工作站GC支持所有四种模式，服务器GC支持Batch和SustainedLowLatency模式。

对于四种延迟模式的具体作用，解释如下：

·        Batch

Batch模式是全阻塞模式，一旦GC开始运行，所有非GC线程都会被挂起，直到垃圾回收结束。

·        Interactive

此模式是工作站GC的默认模式（在.Net 4.0之前）。GC会使用多个线程进行并发垃圾回收，但是此并发只针对第二代对象。第零代和第一代对象永远使用全阻塞模式回收。具体的回收场景是，某个对象的创建引发了垃圾回收，GC使用创建此对象的线程回收第0，1代垃圾，同时有一个专用线程用于在后台回收第二代垃圾。

·        LowLatency

此模式用于对时间敏感的进程。GC会全力避免回收第二代，所以应该在短时间内应用此模式，并在不需要此模式的时候设置回原来的模式。

·        SustainedLowLatency

作用域Interactive基本相同，但是可以应用在服务器GC模式。

区别是：Interactive模式的专用线程在GC的过程中，不允许发起另外一个GC过程，而且只能在内存段中剩余的空间中分配内存。

SustainedLowLatency模式允许在后台GC运行中启动另一次针对第0和1代的GC过程，甚至允许创建另一个新段来进行内存分配。

工作站和服务器垃圾回收比较

以下是工作站垃圾回收的线程处理和性能注意事项：

·        回收发生在触发垃圾回收的用户线程上，并保留相同优先级。因为用户线程通常以普通优先级运行，所以垃圾回收器（在普通优先级线程上运行）必须与其他线程竞争 CPU 时间。

·        不会挂起运行本机代码的线程。（针对后台回收且只限于标记过程）

·        工作站垃圾回收始终用在只有一个处理器的计算机上，而不管 <gcServer> 设置如何。 如果您指定服务器垃圾回收，则CLR 会使用工作站垃圾回收，并禁用并发。

以下是服务器垃圾回收的线程处理和性能注意事项：

·        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（逻辑CPU）提供一个用于执行垃圾回收的专用线程和一个堆，并将同时回收这些堆。 每个堆都包含一个小对象堆和一个大对象堆，并且所有的堆都可由用户代码访问。 不同堆上的对象可以相互引用。

·        因为多个垃圾回收线程一起工作，所以对于相同大小的堆，服务器垃圾回收比工作站垃圾回收更快一些。

·        服务器垃圾回收通常具有更大的段。

·        服务器垃圾回收会占用大量资源。例如，如果在一台具有 4 个处理器的计算机上运行了12 个进程，则在它们都使用服务器垃圾回收的情况下，将有 48 个专用垃圾回收线程。在高内存加载的情况下，如果所有进程开始执行垃圾回收，则垃圾回收器将要计划 48 个线程。如果运行应用程序的数百个实例，请考虑使用工作站垃圾回收并禁用并发垃圾回收。这可以减少上下文切换，从而提高性能。如果启用后台回收，启用的线程将会更多。

如果要手动回收内存，那么就可以指定是否使用后台回收功能，如下：

public static void Collect(int generation,GCCollectionMode mode, bool blocking);

blocking参数为false，则表示使用后台回收功能。

如果要分配超过2G内存的对象，需要使用如下配置：

<gcAllowVeryLargeObjects  enabled="true|false" />