GC的前世与今生

　　虽然本文是以.net作为目标来讲述GC，但是GC的概念并非才诞生不久。早在1958年，由鼎鼎大名的图林奖得主John McCarthy所实现的Lisp语言就已经提供了GC的功能，这是GC的第一次出现。Lisp的程序员认为内存管理太重要了，所以不能由程序员自己来管理。

　　但后来的日子里Lisp却没有成气候，采用内存手动管理的语言占据了上风，以C为代表。出于同样的理由，不同的人却又不同的看法，C程序员认为内存管理太重要了，所以不能由系统来管理，并且讥笑Lisp程序慢如乌龟的运行速度。的确，在那个对每一个Byte都要精心计算的年代GC的速度和对系统资源的大量占用使很多人的无法接受。而后，1984年由Dave Ungar开发的Small talk语言第一次采用了Generational garbage collection的技术（这个技术在下文中会谈到），但是Small talk也没有得到十分广泛的应用。

　　直到20世纪90年代中期GC才以主角的身份登上了历史的舞台，这不得不归功于Java的进步，今日的GC已非吴下阿蒙。Java采用VM（Virtual Machine）机制，由VM来管理程序的运行当然也包括对GC管理。90年代末期.net出现了，.net采用了和Java类似的方法由CLR(Common Language Runtime)来管理。这两大阵营的出现将人们引入了以虚拟平台为基础的开发时代，GC也在这个时候越来越得到大众的关注。

　　为什么要使用GC呢？也可以说是为什么要使用内存自动管理？有下面的几个原因：

　　1、提高了软件开发的抽象度；

　　2、程序员可以将精力集中在实际的问题上而不用分心来管理内存的问题；

　　3、可以使模块的接口更加的清晰，减小模块间的偶合；

　　4、大大减少了内存人为管理不当所带来的Bug；

　　5、使内存管理更加高效。

　　总的说来就是GC可以使程序员可以从复杂的内存问题中摆脱出来，从而提高了软件开发的速度、质量和安全性。

　　什么是GC

　　GC如其名，就是垃圾收集，当然这里仅就内存而言。Garbage Collector（垃圾收集器，在不至于混淆的情况下也成为GC）以应用程序的root为基础，遍历应用程序在Heap上动态分配的所有对象[2]，通过识别它们是否被引用来确定哪些对象是已经死亡的哪些仍需要被使用。已经不再被应用程序的root或者别的对象所引用的对象就是已经死亡的对象，即所谓的垃圾，需要被回收。这就是GC工作的原理。为了实现这个原理，GC有多种算法。比较常见的算法有Reference Counting，Mark Sweep，Copy Collection等等。目前主流的虚拟系统.net CLR，Java VM和Rotor都是采用的Mark Sweep算法。

　　一、Mark-Compact 标记压缩算法

　　简单把.NET的GC算法看作Mark-Compact算法 阶段1: Mark-Sweep 标记清除阶段 先假设heap中所有对象都可以回收，然后找出不能回收的对象，给这些对象打上标记，最后heap中没有打标记的对象都是可以被回收的 阶段2: Compact 压缩阶段 对象回收之后heap内存空间变得不连续，在heap中移动这些对象，使他们重新从heap基地址开始连续排列，类似于磁盘空间的碎片整理。　　Heap内存经过回收、压缩之后，可以继续采用前面的heap内存分配方法，即仅用一个指针记录heap分配的起始地址就可以 主要处理步骤：将线程挂起=确定roots=创建reachable objectsgraph=对象回收=heap压缩=指针修复 可以这样理解roots：heap中对象的引用关系错综复杂（交叉引用、循环引用），形成复杂的graph，roots是CLR在heap之外可以找到的各种入口点。

　　GC搜索roots的地方包括全局对象、静态变量、局部对象、函数调用参数、当前CPU寄存器中的对象指针（还有finalizationqueue）等。主要可以归为2种类型：已经初始化了的静态变量、线程仍在使用的对象（stack+CPU register） Reachable objects：指根据对象引用关系，从roots出发可以到达的对象。例如当前执行函数的局部变量对象A是一个rootobject，他的成员变量引用了对象B，则B是一个reachable object。从roots出发可以创建reachable objectsgraph，剩余对象即为unreachable，可以被回收　　指针修复是因为compact过程移动了heap对象，对象地址发生变化，需要修复所有引用指针，包括stack、CPUregister中的指针以及heap中其他对象的引用指针 Debug和release执行模式之间稍有区别，release模式下后续代码没有引用的对象是unreachable的，而debug模式下需要等到当前函数执行完毕，这些对象才会成为unreachable，目的是为了调试时跟踪局部对象的内容 传给了COM+的托管对象也会成为root，并且具有一个引用计数器以兼容COM+的内存管理机制，引用计数器为0时这些对象才可能成为被回收对象 Pinnedobjects指分配之后不能移动位置的对象，例如传递给非托管代码的对象（或者使用了fixed关键字），GC在指针修复时无法修改非托管代码中的引用指针，因此将这些对象移动将发生异常。pinnedobjects会导致heap出现碎片，但大部分情况来说传给非托管代码的对象应当在GC时能够被回收掉。?　　　　　　

　　二、 Generational 分代算法

　　程序可能使用几百M、几G的内存，对这样的内存区域进行GC操作成本很高，分代算法具备一定统计学基础，对GC的性能改善效果比较明显 将对象按照生命周期分成新的、老的，根据统计分布规律所反映的结果，可以对新、老区域采用不同的回收策略和算法，加强对新区域的回收处理力度，争取在较短时间间隔、较小的内存区域内，以较低成本将执行路径上大量新近抛弃不再使用的局部对象及时回收掉 分代算法的假设前提条件：

　　1、大量新创建的对象生命周期都比较短，而较老的对象生命周期会更长

　　2、对部分内存进行回收比基于全部内存的回收操作要快

　　3、新创建的对象之间关联程度通常较强。heap分配的对象是连续的，关联度较强有利于提高CPU cache的命中率 .NET将heap分成3个代龄区域: Gen 0、Gen 1、Gen 2　　Heap分为3个代龄区域，相应的GC有3种方式: # Gen 0 collections, # Gen 1 collections, #Gen 2 collections。如果Gen 0 heap内存达到阀值，则触发0代GC，0代GC后Gen 0中幸存的对象进入Gen1。如果Gen 1的内存达到阀值，则进行1代GC，1代GC将Gen 0 heap和Gen 1 heap一起进行回收，幸存的对象进入Gen2。

　　2代GC将Gen 0 heap、Gen 1 heap和Gen 2 heap一起回收 Ge