C#性能优化基础：垃圾回收机制

  相信很多C#开发者都没有关注过内存问题，毕竟我们有垃圾自动回收机制，不用像C/C++那样，需要手动去释放。

  其实关于内存是自动还是手动回收释放，一直也是有争议的，像C/C++这样的开发者认为，内存这么珍贵，就应该让人去操作，怎么能让没有思维的机器去操作呢，而支持垃圾自动回收的开发者者认为，就是因为内存这么珍贵，才不能让人手动干预，机器更可靠！额，嗯，说的都对，都有道理，反正要么就是人靠谱，要么就是机器靠谱...

  好了，言归正传，在C#中，垃圾回收（Garbage Collection, GC）是一个自动内存管理机制，用于回收应用程序中不再被使用的对象的内存，因此，使用托管代码的开发人员无需编写执行内存管理任务的代码。C#中的垃圾回收是基于 .NET Framework 或 .NET Core/.NET 5+的公共语言运行时（CLR）的一部分。

  常用的垃圾分类方法有三种：引用计数法、标记删除法、分代回收法。

  引用计数法

    引用计数法，就是堆每个对象维护一个count字段，用来记录此对象被引用的次数1、当有新的引用指向时，引用计数+12、当该对象的引用减少时，引用计数 -13、如果对象的引用计数为0，该对象将被回收，空间将被释放

  一般的，引用技术法存在循环引用的问题，比如A引用B，B又引用A，那么A和B的引用计数都不为0，但是我们可以采用一些方法来解决这个问题。

  标记删除法

    标记清除是一种基于追踪回收的算法：1、第一步从跟对象出发，一直往后遍历，将那些可以被引用的对象标记为活动对象，那么剩下没有引用标记为非活动对象2、第二步就是将非活动对象删除回收了

  一般的，标记删除法存在性能问题，因为它需要扫描所有使用的内存。

  分代回收法

    分代回收法就是根据回收次数，将内存垃圾氛围3类：1、第0代（Generation 0）：这是新分配的对象所在的代，由于新分配的对象很可能很快变为不可达（即不再被使用），因此第0代是垃圾回收最频繁检查的代。2、第1代（Generation 1）：当第0代中的对象在一次垃圾回收后仍然存活时，它们会被提升到第1代。第1代中的对象在垃圾回收中的检查频率低于第0代，因为它们存活的时间更长，但是数量一般是最少的。3、第2代（Generation 2）：类似地，如果第1代中的对象在另一次垃圾回收后仍然存活，它们会被提升到第2代。第2代是检查频率最低的代，因为其中的对象存活时间最长。

  C#的GC（Garbage Collection）

  C#的代码运行在CLR中，CRL负责资源申请、释放、异常监控等，内存属于资源的一种，所以，除非必须，C#代码不应该直接申请内存资源，而内存的释放交由GC（Garbage Collection）来控制，GC是分代回收器。

  程序启动加载 CLR 时，GC 分配两个初始堆段：一个用于小型对象（小型对象堆或SOH），一个用于大型对象（大型对象堆或LOH）。

    大对象：对象的大小大于或等于 85,000 字节，运行时会将其分配到大型对象堆。

  对于大对象，它在第0代创建后，将会延续到第2代，放到LOH中，第 2 代垃圾回收未处理的对象仍是第 2 代对象，LOH 未处理的对象仍是 LOH 对象，所以LOH的回收是在第2代回收的时候进行的，第2代执行的垃圾回收被称为完整回收（Full GC），大对象堆（LOH）是我们开发者需要重点关注的。

    GC回收的整个过程过程大概是这样：1、分配：申请内存，存放数据用于计算，此时数据可能在SOH或者LOH中2、晋升：根据引用打标记，应用程序中不再被使用的对象视为垃圾，按回收次数分为0、1、2代，数据在不同代中回收3、回收：清理数据，释放内存4、压缩：整理数据，退回多余的内存（LOH没有此过程）

  内存压缩

  这里解释一下内存压缩，就是GC的最后一步，我们内存是一个连续的块，但是在经历回收之后，它就变得断断续续的了，为了保证性能和资源的更好利用，GC可能会对内存做个压缩。

  对于SOH会压缩内存，这样所有的内存均可重新使用，借用官网的图说明一下：

    1、开始创建有四个对象obj0、obj1、obj2、obj3，这个时候它们在第0代2、现在obj1和obj3被释放了，那么它们的内存就空出来了，GC就会做个压缩，把obj2的位置就变到原来obj1开始的位置，同事它被提升到第1代3、如果又有obj4、obj5、obj6被提升到第1代，那么它们就会放在obj2后面，这样空间就被利用起来了4、如果obj2和obj5又被释放，那么又被压缩，obj4、obj6会向前移

  

  而对于LOH由于压缩成本太高，因此一般是不会进行压缩（代码可以配置），在需要内存时，查看是否有可用的片段，没有则申请新的内存，但是用于申请的内存往往不一定刚好是空闲的长度，所以会流出很多Free的空间。借用官网的图说明一下：

    1、开始我们有obj0、obj1、obj2、obj3几个大对象，注意他们属于第2代2、当obj1、obj2被回收后，中间就会留下空闲片段（Free），GC一般不会去压缩3、当我们创建obj4需要新的空间时，会先看空闲片段是否满足需要，满足则使用，不满足就重新申请内存，但是哪怕满足，大概率也会有小的空闲片段

  

  注意：GC执行垃圾回收时是阻塞操作，它会将所以线程挂起来，直至GC执行完成后继续执行。

  所以常说的GC会影响程序性能，其实就是只线程挂起来阻塞的时间，要缩短这个时间，就要尽可能少的产生垃圾，要尽可能快的执行回收，而且，如果频繁的执行GC，会发现CPU的使用率偏高，这可能对系统中的所有服务都回有一些影响。

  GC何时执行？

  GC的执行是个很复杂的过程，我们程序代码无法控制GC的执行，但是一般的，我们可以通过GC.Collect()方法来手动触发执行（虽然也不一定会执行），但是对于LOH，它往往在以下三种情况下执行：

    1、分配超出第0代或大型对象阈值2、调用 GC.Collect() 方法3、系统处于内存不足的状况

  

  总结

  在开发的过程中，为了避免GC影响性能，我们应该多注意一下。

    1、尽可能少的产生垃圾* 数据类型上，尽可能少的使用字符串、结构体之类的* 字符串使用上，注重使用字符串池（字符串暂存区），以内存的开销，对于碎片化的字符串，应采用StringBuilder优化* 注重复用，采用一些池技术优化，比如对象池2、尽可能快的执行回收，第2代回收频率是最低的，所以要尽量避免垃圾延续到第2代，特别是LOH，LOH存在的意义就是存放必须的大数据，所以非必须下不要使用LOH，LOH有着非常高的分配、回收成本。LOH中存放的数据往往是：大型集合、大字符串* 对于大型集合，比如大型的对象数据，我们需要在使用完成之后，将他们清空，以此取消他们之间的引用关系，从而可以让GC回收* 大字符串往往来自于三个地方：* 文件读取： var content = File.ReadAllText(filePath);* 格式化，如JSON格式： var json = value.ToJSON();* 数据库

 

  参考资料：

  https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/standard/garbage-collection/large-object-heap