初窺.NET C#中的 垃圾回收機制(二)

初窺.NET C#中的 垃圾回收機制(2)

在上篇我們主要對 C# 的記憶體分區及垃圾回收機制進行簡單的介紹,在這篇中我們將介紹 Mark-Sweep 演算法如何達成清理記憶體的目標。

 

無論任何垃圾回收演算法,皆需包含兩大部分:

  1. 必須能搜尋無相關參考的物件。
  2. 必須要能對占用空間的垃圾物件進行回收的動作。

Mark and Sweep 演算法也不例外,在此演算法中,第一部分稱為 Mark Phase,遍歷所有參考物件並標記哪些仍在使用、哪些沒有;第二部分則稱為 Sweep Phase,清除在上一步驟備標記為未使用的物件,釋放記憶體空間。

一、Mark Phase

假設一個前提:在 Heap 儲存區的所有物件都是可以回收的,當一個物件創建出來時先給予標記為 false,在進入垃圾回收階段時會由 Root 為起點,以深度優先搜尋演算法(Depth First Search)對所有物件進行逡巡的動作,並將過程中可搜尋到的物件標記為 true。Root 是一個物件的參考,可由局域變數直接存取,在一般狀況下,同一組完整的圖我們通常假設只會有一個 Root 存在。.NET 中的垃圾回收機制的 Root List 交由 JIT Compiler 和 Run Time 維護管理,進行垃圾回收時將遍歷此清單中的所有 Root 進行標記。

 

MarkPhase(root)
  If targetNode(root) = false then
     targetNode(root) = true
     For each node referenced by root
     MarkPhase(node)

 

圖解說明

圖一

二、Sweep Phase

此階段的目的是掃描並清除在上階段中 Heap 區域無法觸及的物件,根據在上一階段曾進行過物件的標記結果,將未被搜尋到、狀態為 False 的物件從記憶中釋放,並將上階段判定為 True 的物件重置狀態。

 

Sweep()
  For each object in heap
    If targetNode(object) = true
       targetNode(object) = false
    else
       heap.release(object)

 

Mark and Sweep 演算法有幾項優缺點,優點是這項演算方式從根本迴避了進入無窮迴圈的可能性,同時不需要消耗額外的資源(例如指標的分配等等);缺點是在進行 Heap 記憶體區塊的遍歷時會暫停其它執行中的程序,並且會造成記憶體的破碎。原因是在經過幾次上述的二階段循環之後,被清乾淨的物件和未被清掉的物件使的記憶體分配變得不連續,進而造成空間的浪費。如圖二所示,空白的部分代表未使用的記憶體空間,藍色代表已使用的記憶體,橘黃色則代表背標記的內容:

圖解說明

圖二

 

因此在垃圾回收的程序中,做完 Mark and Sweep 之後還會進行壓縮整理,此階段稱為稱之為 Compact,將仍存在於 Heap 記憶體中較細碎的物件移動到頂端成為連續的使用空間,藉此達到減少記憶體碎片的效果。所謂細碎的定義為所儲存的物件佔據空間小於 85 KB,此類物件稱為SOH(Small Object Heap),相對之下大於 85 KB 的物件稱為 LOH(Large Object Heap)。整理 LOH 會花費較多的資源與時間,因此一般的預設狀況下是只針對 SOH 作壓縮。順帶一題,自 .NET Framework 4.5.1 之後的版本可藉由 GCSettings.LargeObjectHeapCompactionMode property 控制是否將 LOH 加入壓縮步驟的目標。

而物件在記憶體中的位置移動之後,所有參考的指標也須進行指標修復,重新設定指向的記憶體位置,以免造成錯誤的結果。

 

在某些特定狀況下,垃圾回收機制會在單獨的 Thread 上執行:

 

  • 作業系統警告可用記憶體過低。
  • 目標物件使用的 Heap 記憶體超過特定門檻值。
  • 在程式碼中呼叫了 GC.Collect() 函式。

 

通常,在一般狀況下 GC.Collect() 不會被直接呼叫,只有在需要處理錯誤的情境下才會直接被使用。但在某些例外狀況,例如一些記憶體分析軟體中,會在使用者觀看結果之前強制呼叫,便於使用者檢查在進行垃圾回收之後是否仍有 Memry Leaks 或相關問題存在,這種使用方式也屬於合理的使用範圍。

另外,當垃圾回收機制開始運行,在預設的狀況下除了觸發回收的 Thread 以外,其他的 Threads 將會停止運作,可以藉由將垃圾回收設定為工作站或伺服器模式,使其同步、或是在背景中執行。

 

在這篇文章中我們介紹了在 C# 及 .NET 中,基本的垃圾回收機制運行原理:標記-清理-壓縮三步驟,在下一篇我們將討論關於分代垃圾回收機制(Generational Garbage Collection)的概念。

 

參考資料:

https://chodounsky.net/2017/05/03/garbage-collection-in-c-sharp/

https://plumbr.io/handbook/garbage-collection-algorithms

https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/standard/garbage-collection/fundamentals

https://docs.microsoft.com/zh-tw/dotnet/api/system.gc.collect?view=netframework-4.8


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