什么是CLR

  • 公共语言运行库 (common language runtime,CLR) 是托管代码执行核心中的引擎。
  • 运行库为托管代码提供各种服务，如跨语言集成、代码访问安全性、对象生存期管理、调试和分析支持。
  • 它是整个.NET框架的核心，它为.NET应用程序提供了一个托管的代码执行环境。
  • 它实际上是驻留在内存里的一段代理代码，负责应用程序在整个执行期间的代码管理工作。
  • 它的其中一个重要作用就是进行.NET平台下语言的垃圾回收

GC垃圾回收

什么是垃圾回收

  • Net程序可以找出某个时间点上哪些已分配的内存空间没有被程序使用，并自动释放它们。
  • 自动找出并释放不再使用的内存空间的机制，就称为垃圾回收机制（Garbage Collection，简称GC）。
  • .NET CLR使用分代收集算法+标记压缩算法来进行GC。

垃圾回收的对象

  • 对于堆中内存，通过识别它们是否被引用来确定哪些对象是垃圾，哪些对象仍要被使用，垃圾就是没有被任何变量、对象引用的内容。
  • GC只负责堆内存的垃圾回收，引用类型都是存在堆中的，所以他的分配和释放都需要垃圾回收机制来管理。
  • 栈上的内存是通过系统自动管理的，值类型在栈中分配内存，他们有自己的生命周期，不需要主动对他们进行管理，系统会自动分配和释放。

垃圾回收的主要作用

  • 分配对象（比如说实例化对象的时候负责分配内存给对象）
  • 垃圾回收（比如回收我们写C#代码时产生的垃圾）

分配对象

  • 分为大对象和小对象分配
    • 超过85000字节（83k）的为大对象，否则为小对象
    • 大对象会被存放在第二代内存中，目的是减少性能损耗，提高性能
  • 分配小对象在短暂堆或者由自由对象列表进行分配，分配大对象直接在大对象堆段中
    • 一个区域->多个堆（普通堆和短暂堆）
      • 区域是CLR初始化的时候内存里开辟的一段空间
    • 在CLR中分为3个代：0代（存放短暂堆，存放小对象）,1代（存放短暂堆，存放小对象）,2代（存放普通堆，同时存放大对象和小对象）
      • 代是GC机制中使用的一种算法（分代算法），每次分配都有可能GC以释放内存（某一代存不下时，或者后面说的各种触发GC的条件成立时）
    • 如果我们有一个堆可以放100个字节，一次GC分配后用了90个字节，剩余的字节就是自由对象，如果有多个堆形成的多个自由对象就是自由对象列表

垃圾回收

触发GC的条件

  • 分配对象找不到可用空间（代空间不足）
  • 分配量超过阈值（CLR初始化时的一个阈值上下限）
  • 收到Windows报告物理内存不足的通知
  • 直接调用GC.Collect()手动触发（unity可以在loading的时候触发）
  • CLR卸载AppDomain
  • CLR正在关闭

GC垃圾回收的步骤

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  • 1.停止其他线程，切换其他线程到抢占模式
    • 合作模式：在CLR里面运行的线程，可以无限制的访问托管堆和非托管堆
    • 抢占模式：只能访问非托管堆，托管堆不能访问
    • 之所以有这步是因为gc的时候如果不进入抢占模式，可能会造成访问到被回收的对象而发生错误
  • 2.重新判定传入的GC回收目标的代是否合适，主要判断条件有：
    • 碎片空间率
    • 短暂堆剩余空间
    • 卡片扫描效率
    • 物理内存占用率
    • 是否执行后台GC
  • 3.判断是否执行后台GC
    • 执行后台GC，进行标记和清扫
    • 不执行后台GC，则执行普通GC，进行标记、计划、重定位、压缩、清扫等操作
  • 简略版本（标记压缩算法）：
    • 如果0代内存满了，gc首先会认为堆中全是垃圾，然后进行下面两步
    • 标记对象：从根（静态对象、方法参数）开始检查被引用的对象，将其标记为可达对象，其他为不可达对象
    • 搬迁对象压缩堆，释放不可达对象，搬迁可达对象到1代，修改引用地址
    • 如果1代内存满了，重复上面步骤，将0代可达对象搬迁到1代，1代可达对象搬迁到2代堆，以此类推。

垃圾回收算法

标记清除（Mark Sweep）

  • 简单描述：
    • 是最基础的GC算法。
    • 分为标记阶段和清除阶段。
    • 标记阶段遍历堆（根的直接引用，然后递归）为所有的活动对象打上标记。
    • 清除阶段（从堆的开始到结束遍历每一个对象）如果是已经标记的，设置为未标记，未标记的连接到空闲链表（用作以后的分配），如果有连续的分块则合并。
  • 如何分配：遍历空闲链表根据策略选择合适的对象，下面是三种策略。
    • First - fit（遇到大于等于的分块就直接返回）
    • Best - fit（返回大于等于的最小分块）
    • Worst - fit（返回最大的分块）
  • 优点：
    • 简单
    • 与保守式GC 算法兼容（也就是不移动对象）
  • 缺点：
    • 碎片化（也就是空闲链表中存在，一堆不连续的小分块，不论采用那种分配策略都无法避免碎片化）
    • 分配速度慢（每次分配都需要遍历空闲链表，举个极端的，每次合适的都是最后一个）
    • 与写时复制技术不兼容（写时复制技术（众多UNIX 操作系统的虚拟存储中用到的高速化方法。）
    • 复制进程的时候大部分内存不会被复制而是共享，共享内存不能直接重写，想要重写得复制到自己的私有空间，不访问共享内存

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引用计数（Reference Counting）

  • 简单描述：
    • 每个对象有个计数器，在每次指针更新时，新指向的对象的计数器++
    • 之前指向的对象的计数器--
    • 如果等于0回收，加入空闲链表。
  • 如何分配：遍历空闲链表
  • 优点：
    • 可即可回收垃圾（当计数器为0时直接回收）
    • 最大暂停时间短（每次指针更新时都会回收垃圾）
    • 没有必要沿指针查找（上面的标记清楚算法，需要由根开始查找）
  • 缺点：
    • 计数器值的增减处理繁重
    • 计数器要占用很多位
    • 实现繁琐复杂
    • 循环引用无法回收（比如根引用A ,A和B两个互相引用，当根不引用A的时候 A和B已经是垃圾了，但是互相引用计数器都是1，无法回收）

复制集合（Copy Collection）

  • 简单描述：
    • 把堆平分为From,To两个空间，如果现在活动对象，垃圾是在From空间，从根开始递归（深度遍历），把所有的对象复制到To空间，反之亦然。
    • 如何分配：当前活跃的空间，未分配的部分，按内存顺序分配。
  • 优点：
    • 优秀的吞吐量（能较短时间完成GC,和标记清楚算法比较，标记清楚需要遍历两次，而GC复制遍历一次+复制）
    • 可实现高速分配（直接在未分配的连续空间分配，不需要遍历啥的）
    • 不会发生碎片化（每次执行GC都把活动对象集中在开头，放在堆的一端的行为叫做压缩）
    • 与缓存兼容（深度遍历的复制，有引用关系的对象，在内存中放到了一起）
  • 缺点：
    • 堆使用效率低下（一分为二为两个空间，只有一半的堆能使用）
    • 不兼容保守式GC 算法
    • 递归调用函数（每次进行复制的时候都要调用函数，递归会消耗栈，所以还可能栈溢出）

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标记压缩（整理）（Mark Compact）

  • 简单描述：
    • 是CLR使用的GC算法。
    • 结合标记清除算法和复制算法的优点并进行优化
    • 标记阶段遍历堆（根的直接引用，然后递归）为所有的活动对象打上标记
    • 整理阶段将存活对象移向内存的一段，然后清除边界外的对象
  • 优点：
    • 清除了标记-清除算法当中，内存区域碎片化的缺点。
    • 消除了复制算法当中，内存减半的高额代价。
  • 缺点
    • 从效率上来说，标记-整理算法要低于复制算法。
    • 移动对象的同时，如果对象被其它对象引用，则还需要调整引用 的地址。
    • 移动过程中，需要全程暂停用户应用程序，即STW。

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分代收集（Generational Collection）

  • 当前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”（Generational Collection）算法，这种算法并没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。
  • 一般是把堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。
  • 在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。
  • 而老年代中因为对象存活率高、 没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记—清理”或者“标记—整理”算法来进行回收。

资料参考、拓展阅读

https://www.bilibili.com/video/BV13U4y1d72D（Unity优化之GC分配问题）

https://www.bilibili.com/video/BV1Zp4y1s7ES（.Net CLR视频2021年最新讲解CLR核心机制，CLR模型，性能优化原理）

https://www.bilibili.com/video/BV1tV411q7Rq?p=8（【唐老狮】Unity系列之C#四部曲—C#核心-垃圾回收）

https://blog.csdn.net/m0_38037668/article/details/119611608（.NET：GC）

https://blog.csdn.net/qq_42127428/article/details/107208628（垃圾回收的算法与实现（一）三类基本算法）

https://blog.csdn.net/qq_42127428/article/details/107232868（CLR的GC）

https://blog.csdn.net/qq_43533956/article/details/124237546（unity GC机制简单介绍）

https://www.cnblogs.com/zblade/p/6445578.html（Unity优化之GC——合理优化Unity的GC）

https://blog.csdn.net/qq_41719595/article/details/121016454（C#——垃圾回收(GC)）

https://blog.csdn.net/LJY_rookie/article/details/108141615（lua的GC原理）

https://www.cnblogs.com/aaa6818162/p/4746800.html（.NET垃圾回收(GC)原理）

https://www.cnblogs.com/rabbit000/p/16196227.html（四种垃圾回收算法）

https://blog.csdn.net/weixin_43882788/article/details/122248794（标记整理算法(Mark-Compact)）

http://t.csdn.cn/BOZ6m（标记-压缩（整理）算法）

https://www.cnblogs.com/liumengchen-boke/p/9123833.html（浅析CLR的GC（垃圾回收器））

https://baike.baidu.com/item/CLR（公共语言运行库CLR）

https://blog.csdn.net/qq_38234381/article/details/115270672（托管代码和非托管代码）

赏