在開發.NET程式過程中，由於CLR中的垃圾回收（garbage collection）機制會管理已分配的物件，所以程式設計師就可以不用關注物件什麼時候釋放記憶體空間了。但是，瞭解垃圾回收機制還是很有必要的，下面我們就看看.NET垃圾回收機制的相關內容。

建立物件

在C#中，我們可以通過new關鍵字建立一個引用型別的物件，比如下面一條語句。New關鍵字建立了一個Student型別的物件，這個新建的物件會被存放在託管堆中，而這個物件的引用會存放在呼叫棧中。（對於引用型別可以檢視，C#中值型別和引用型別）

C#

Student s1 = new Student();

在C#中，當上面的Student物件被建立後，程式設計師就可以不用關心這個物件什麼時候被銷燬了，垃圾回收器將會在該物件不再需要時將其銷燬。

當一個程序初始化後，CLR就保留一塊連續的記憶體空間，這段連續的記憶體空間就是我們說的託管堆。.NET垃圾回收器會管理並清理託管堆，它會在必要的時候壓縮空的記憶體塊來實現優化，為了輔助垃圾回收器的這一行為，託管堆儲存著一個指標，這個指標準確地只是下一個物件將被分配的位置，被稱為下一個物件的指標（NextObjPtr）。為了下面介紹垃圾回收機制，我們先詳細看看new關鍵字都做了什麼。

new關鍵字

當C#編譯器遇到new關鍵字時，它會在方法的實現中加入一條CIL newobj命令，下面是通過ILSpy看到的IL程式碼。

IL_0001: newobj instance void GCTest.Student::.ctor()

其實，newobj指令就是告訴CLR去執行下列操作：

• 計算新建物件所需要的記憶體總數

• 檢查託管堆，確保有足夠的空間來存放新建的物件

  • 如果空間足夠，呼叫型別的建構函式，將物件存放在NextObjPtr指向的記憶體地址
  • 如果空間不夠，就會執行一次垃圾回收來清理託管堆（如果空間依然不夠，就會報出OutofMemoryException）
• 最後，移動NextObjPtr指向託管堆下一個可用地址，然後將物件引用返回給呼叫者

按照上面的分析，當我們建立兩個Student物件的時候，託管堆就應該跟下圖一致，NextObjPtr指向託管堆新的可用地址。

託管堆的大小不是無限制的，如果我們一直使用new關鍵字來建立新的物件，託管堆就可能被耗盡，這時託管堆可以檢測到NextObjPtr指向的空間超過了託管堆的地址空間，就需要做一次垃圾回收了，垃圾回收器會從託管堆中刪除不可訪問的物件

應用程式的根

垃圾回收器是如何確定一個物件不再需要，可以被安全的銷燬？

這裡就要看一個應用程式根（application root）的概念。根（root）就是一個儲存位置其中儲存著對託管堆上一個物件的引用，根可以屬性下面任何一個類別：

• 全域性物件和靜態物件的引用
• 應用程式程式碼庫中區域性物件的引用
• 傳遞進一個方法的物件引數的引用
• 等待被終結（finalize，後面介紹）物件的引用
• 任何引用物件的CPU暫存器

垃圾回收可以分為兩個步驟：

1. 標記物件
2. 壓縮託管堆

下面結合應用程式的根的概念，我們來看看垃圾回收這兩個步驟。

標記物件

在垃圾回收的過程中，垃圾回收器會認為託管堆中的所有物件都是垃圾，然後垃圾回收器會檢查所有的根。為此，CLR會建立一個物件圖，代表託管堆上所有可達物件。

假設託管堆中有A-G七個物件，垃圾回收過程中垃圾回收器會檢查所有的物件是否有活動根。這個例子的垃圾回收過程可以描述如下（灰色表示不可達物件）：

1. 當發現有根引用了託管堆中的物件A時，垃圾回收器會對此物件A進行標記
2. 對一個根檢測完畢後會接著檢測下一個根，執行步驟一種同樣的標記過程，標記物件B，在標記B時，檢測到物件B內又引用了另一個物件E，則也對E進行標記；由於E引用了G，同樣的方式G也會被標記
3. 重複步驟二，檢測Globales根，這次標記物件D

程式碼中很有可能多個物件中引用了同一個物件E，垃圾回收器只要檢測到物件E已經被標記過，則不再對物件E內所引用的物件進行檢測，這樣做有兩個目的：一是提高效能，二是避免無限迴圈。

所有的根物件都檢查完之後，有標記的物件就是可達物件，未標記的物件就是不可達物件。

壓縮託管堆

繼續上面的例子，垃圾回收器將銷燬所有未被標記的物件，釋放這些垃圾物件所佔的記憶體，再把可達物件移動到這裡以壓縮堆。

注意，在移動可達物件之後，所有引用這些物件的變數將無效，接著垃圾回收器要重新遍歷應用程式的所有根來修改它們的引用。在這個過程中如果各個執行緒正在執行，很可能導致變數引用到無效的物件地址，所以整個程序的正在執行託管程式碼的執行緒是被掛起的。

經過了垃圾回收之後，所有的非垃圾物件被移動到一起，並且所有的非垃圾物件的指標也被修改成移動後的記憶體地址，NextObjPtr指向最後一個非垃圾物件的後面。

物件的代

當CLR試圖尋找不可達物件的時候，它需要遍歷託管堆上的物件。隨著程式的持續執行，託管堆可能越來越大，如果要對整個託管堆進行垃圾回收，勢必會嚴重影響效能。所以，為了優化這個過程，CLR中使用了”代”的概念，託管堆上的每一個物件都被指定屬於某個”代”（generation）。

“代”這個概念的基本思想就是，一個物件在託管堆上存在的時間越長，那麼它就更可能應該保留。託管堆中的物件可以被分為0、1、2三個代：

• 0代：從沒有被標記為回收的新分配的物件
• 1代：在上一次垃圾回收中沒有被回收的物件
• 2代：在一次以上的垃圾回收後仍然沒有被回收的物件

下面還是通過一個例子看看代這個概念（灰色代表不可達物件）：

1. 在程式初始化時，託管堆上沒有物件，這時候新添到託管堆上的物件是的代是0，這些物件從來沒有經過垃圾回收器檢查。假設現在託管堆上有A-G七個物件，託管堆空間將要耗盡。

   

2. 如果現在需要更多的託管堆空間來存放新建的物件（H、I、J），CLR就會觸發一次垃圾回收。垃圾回收器就會檢查所有的0代物件，所有的不可達物件都會被清理，所有沒有被回收掉的物件就成為了1代物件。

   

3. 假設現在需要更多的託管堆空間來存放新建的物件（K、L、M），CLR會再觸發一次垃圾回收。垃圾回收器會先檢查所有的0代物件，但是仍需要更多的空間，那麼垃圾回收器會繼續檢查所有 的1代物件，整理出足夠的空間。這時，沒有被回收的1代物件將成為2代物件。2代物件是目前垃圾回收器的最高代，當再次垃圾回收時，沒有回收的物件的代數依然保持2。

   

通過前面的描述可以看到，分代可以避免每次垃圾回收都遍歷整個託管堆，這樣可以提高垃圾回收的效能。

System.GC

.NET類庫中提供了System.GC型別，通過該型別的一些靜態方法，可以通過程式設計的方式與垃圾回收器進行互動。

看一個簡單的例子：

C#

class Student { public int Id { get; set; } public string Name { get; set; } public int Age { get; set; } public string Gender { get; set; } } class Program { static void Main(string[] args) { Console.WriteLine("Estimated bytes on heap: {0}", GC.GetTotalMemory(false)); Console.WriteLine("This OS has {0} object generations", GC.MaxGeneration); Student s = new Student { Id = 1, Name = "Will", Age = 28, Gender = "Male"}; Console.WriteLine(s.ToString()); Console.WriteLine("Generation of s is: {0}", GC.GetGeneration(s)); GC.Collect(); Console.WriteLine("Generation of s is: {0}", GC.GetGeneration(s)); GC.Collect(); Console.WriteLine("Generation of s is: {0}", GC.GetGeneration(s)); Console.Read(); } }

程式的輸出為：

從這個輸出，我們也可以驗證代的概念，每次垃圾清理後，如果一個物件沒有被清理，那麼它的代就會提高。

強制垃圾回收

由於託管堆上的物件由垃圾管理器幫我們管理，所有我們不需要關心託管堆上物件的銷燬以及記憶體空間的回收。

但是，有些特殊的情況下，我們可能需要通過GC.Collect()強制垃圾回收：

1. 應用程式將要進入一段程式碼，這段程式碼不希望被可能的垃圾回收中斷
2. 應用程式剛剛分配非常多的物件，程式想在使用完這些物件後儘快的回收記憶體空間

在使用強制垃圾回收時，建議同時呼叫”GC.WaitForPendingFinalizers();”，這樣可以確定在程式繼續執行之前，所有的可終結物件都必須執行必要的清除工作。但是要注意，GC.WaitForPendingFinalizers()會在回收過程中掛起呼叫的執行緒。

C#

static void Main(string[] args) { â¦â¦ GC.Collect(); GC.WaitForPendingFinalizers(); â¦â¦ }

每一次垃圾回收過程都會損耗效能，所以要儘量避免通過GC.Collect()進行強制垃圾回收，除非遇到了真的需要強制垃圾回收的情況。

總結

本文介紹了.NET垃圾回收機制的基本工作過程，垃圾回收器通過遍歷託管堆上的物件進行標記，然後清除所有的不可達物件；在託管堆上的物件都被設定了一個代，通過了代這個概念，垃圾回收的效能得到了優化。

下一篇我們看看可終結物件（Finalize）和可處置物件（IDisposable）。