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基于C#了解垃圾回收机制

article 2024/12/29 10:23:17

1. 什么是垃圾回收（Garbage Collection，简称GC）

在C#等支持自动内存管理的编程语言中，垃圾回收机制是一种自动释放不再被程序使用的内存空间的机制。

程序运行过程中会不断创建对象实例，这些对象占用内存空间，而当某些对象不再被需要时（比如其对应的引用变量不再指向它，且程序后续也不会再访问到它），就需要回收它们所占用的内存，以便内存能被高效地重复利用，避免内存泄漏等问题。

2. 垃圾回收的工作原理

C#的垃圾回收器基于引用计数和跟踪算法来实现内存管理。当一个对象没有任何引用指向它时，垃圾回收器就会认为这个对象是不再需要的，从而将其占用的内存回收。

C#的垃圾回收器主要包括三个代（Generation）：第0代、第1代和第2代。不同代的对象具有不同的生命周期和回收频率。第0代包含新创建的对象，第1代包含从第0代晋升的对象，第2代包含从第1代晋升的对象以及长期存活的对象。

3. 垃圾回收的工作流程

标记阶段:
垃圾回收器会从一组称为“根”（Roots）的对象开始遍历，这些“根”通常包括全局变量、静态变量、当前正在执行的方法的局部变量（在栈上的引用）等。从这些“根”出发，沿着对象引用关系链进行遍历，能被访问到的对象会被标记为“可达”（Reachable），而那些无法通过“根”对象引用链访问到的对象就被认为是“不可达”（Unreachable），也就是可以被回收的垃圾对象。例如，在一个方法中创建了一个局部对象，方法执行结束后，如果没有其他地方再引用这个对象，那么从“根”出发就无法访问到它了，它就会在这个阶段被标记为不可达。
清除阶段:
在标记出所有的不可达对象后，垃圾回收器会回收这些对象所占用的内存空间，使这些内存可以重新被分配给新创建的对象使用。不同的垃圾回收算法在具体的回收内存方式上会有所不同，比如有的是直接释放内存，有的可能会进行内存整理（将存活的对象移动到一起，便于后续内存分配更加连续高效等操作）。

4. 常见的垃圾回收算法

标记-清除算法（Mark-Sweep）:
这是最基础的一种算法，先标记出所有需要回收的对象（不可达对象），然后统一回收它们占用的内存空间。缺点是会产生内存碎片，因为回收后的内存空间可能是不连续的小块，不利于后续分配较大对象时的内存申请。
标记-整理算法（Mark-Compact）:
在标记阶段类似标记-清除算法，标记出不可达对象后，会将所有存活的对象（可达对象）向一端移动，然后直接清理掉边界之外的内存空间，这样可以避免内存碎片问题，但移动对象会有一定的性能开销。

主流的"标记并清除"的方式

复制算法（Copying）:
它将可用内存划分为两块大小相等的区域，每次只使用其中一块。当进行垃圾回收时，把存活的对象从正在使用的这块区域复制到另一块空闲区域，然后直接把原来使用的区域全部清理掉。优点是简单高效且不会产生内存碎片，缺点是可用内存空间利用率不高，始终只能使用一半的内存。
引用计数算法 :
每个对象都有一个引用计数器，当有新的引用指向对象时，计数器增加；当引用离开作用域或被释放时，计数器减少。当计数器为0时，对象被视为不再需要，可以被回收。

代码示例来观察垃圾回收的效果（简单示意）

以下是一个简单的C#代码示例，通过创建一些对象并让它们的引用关系变化，来观察垃圾回收的情况（实际中很难精确控制垃圾回收器何时执行，这里只是模拟一种可能触发垃圾回收的场景）。

using System;

class MyClass
{
    ~MyClass()
    {
        Console.WriteLine("对象被回收了");
    }
}


class Program
{
    static void Main()
    {
        // 创建一个对象实例
      	MyClass obj1 = new MyClass();
        // 再创建一个对象实例
      	MyClass obj2 = new MyClass();
        // 让obj2不再引用它原来指向的对象，模拟失去引用的情况
        obj2 = null;

        // 强制进行垃圾回收（虽然不能保证立刻执行，但会提示垃圾回收器可以尝试回收了）
        GC.Collect();
        GC.WaitForPendingFinalizers();


        // 让obj1也不再引用对象，再次模拟失去引用情况
        obj1 = null;
        // 再次强制进行垃圾回收
        GC.Collect();
        GC.WaitForPendingFinalizers();

        Console.ReadKey();
    }
}

输出结果：

对象被回收了！
对象被回收了！

在上述代码中：

首先定义了一个 MyClass 类，并且重写了析构函数（~MyClass()），在析构函数中输出一条表示对象被回收的信息，这样当对象被垃圾回收时就能看到相应提示。
在 Main 方法中，先创建了 obj1 和 obj2 两个 MyClass 对象实例，然后将 obj2 赋值为 null，此时原来 obj2 指向的对象就失去了一个引用，通过调用GC.Collect()（主动发起垃圾回收）和GC.WaitForPendingFinalizers()（等待终结器执行完毕，析构函数在这里属于终结器相关操作）来尝试触发垃圾回收，看看是否会回收那个失去引用的对象（如果符合回收条件的话）。之后又将 obj1 也赋值为 null，再次进行垃圾回收相关操作，观察对象被回收的情况。

代码思想也是来源于生活