C#垃圾回收機制詳解

一、什麼是C#垃圾回收機制？

1、C#垃圾回收機制是一種自動管理內存分配和釋放的技術。

2、開發者無需手動分配和釋放內存，垃圾回收機制會自動檢測和回收未使用的內存。

3、.Net Framework中的垃圾回收是通過CLR（Common Language Runtime）實現的。

二、C#垃圾回收機制的工作原理是什麼？

1、垃圾回收器會定期掃描堆中的對象，判斷哪些對象可以被釋放。

2、垃圾回收器會維護一個對象使用計數器，當對象被引用時計數器加1，當引用被清除時計數器減1。

3、當對象的使用計數器為0時，說明該對象已經不再被引用，垃圾回收器會回收該對象佔用的內存空間。

4、垃圾回收機制最大的優勢在於它可以處理內存泄漏的問題，同時也可以避免空指針異常的發生。

三、垃圾回收器是如何判斷哪些對象需要被回收的？

1、引用計數：通過維護對象的引用計數器來判斷哪些對象可以被回收。但是，這種方法會存在循環引用的問題，即兩個或多個對象相互引用。

class MyClass
{
    public MyClass Next { get; set; }
}

...

var a = new MyClass();
var b = new MyClass();
a.Next = b;
b.Next = a;

上述代碼中，對象a和對象b的引用計數器都為1，但是它們相互引用，因此無法被回收。

2、可達性分析：通過在根對象中開始掃描堆中所有對象的引用情況，找到所有被引用的對象，將它們打上標記，沒有被打標記的對象就是不可達的，可以被垃圾回收器回收掉。

class MyClass
{
    public MyClass Next { get; set; }
}

...

var a = new MyClass();
var b = new MyClass();
a.Next = b;

上述代碼中，對象b沒有被任何其它對象引用，因此可以被垃圾回收機制回收。

四、如何手動觸發垃圾回收器？

1、System.GC.Collect()方法可以手動觸發垃圾回收機制。

class MyClass
{
    ~MyClass()
    {
        Console.WriteLine("Destructor is called.");
    }
}

...

var a = new MyClass();
var b = new MyClass();
a = null;
b = null;
System.GC.Collect();

上述代碼中，在調用System.GC.Collect()方法之前，對象a和對象b已經沒有任何引用，它們可以被垃圾回收機制回收掉。在System.GC.Collect()方法執行後，垃圾回收機制會釋放它們所佔用的內存空間，並調用它們的析構函數。

2、System.GC.WaitForPendingFinalizers()方法可以保證所有的析構函數都被執行完之後再退出程序。

class MyClass
{
    ~MyClass()
    {
        Console.WriteLine("Destructor is called.");
    }
}

...

var a = new MyClass();
var b = new MyClass();
a = null;
b = null;
System.GC.Collect();
System.GC.WaitForPendingFinalizers();

上述代碼中，在調用System.GC.WaitForPendingFinalizers()方法之前，垃圾回收機制並不會立即執行對象的析構函數。而是在進入程序的關閉階段之前，保證所有的析構函數都被執行完。

五、如何處理大對象？

1、.Net Framework會將大對象（大於85,000位元組）從堆中分配到一個單獨的物理區域稱為LOH（Large Object Heap）。

2、對於大對象的回收，垃圾回收器會單獨運行「大對象壓縮」和「大對象分離」兩種策略。

3、「大對象壓縮」是指將LOH中的對象進行碎片整理，以便後續分配大對象時不至於出現內存碎片的情況。

4、「大對象分離」是指將大對象分為更小的對象，並將它們分配到堆中的不同區域。這樣可以避免不必要的內存碎片，並提高大對象的分配速度。

六、垃圾回收器會帶來哪些問題？

1、性能問題：垃圾回收機制會消耗一些額外的CPU時間和內存資源。

2、非確定性問題：由於垃圾回收機制是非確定性的，因此開發者無法精確地控制內存分配和釋放的時間點，可能會影響程序的響應速度。

3、無法處理非託管資源：垃圾回收機制只能處理託管對象，無法直接回收非託管資源（如文件句柄、數據庫連接等），因此開發者需要手動釋放這些資源。

4、垃圾回收器可能導致程序的暫停，這對於某些需要實時性的應用程序（如遊戲、實時監測等）是不可接受的。

七、如何優化垃圾回收機制的性能？

1、避免頻繁的內存分配和釋放：頻繁的內存分配和釋放會導致垃圾回收機制頻繁運行，降低程序的性能。

2、使用對象池：對象池可以緩存一些長時間不會被釋放的對象，減少內存分配和釋放的次數，提高程序的性能。

class MyClass
{
    //定義對象池
    private static ObjectPool pool = new ObjectPool(() => new MyClass());

    //從對象池中獲取對象
    public static MyClass GetInstance()
    {
        return pool.GetObject();
    }

    //將對象放回對象池
    public void Release()
    {
        pool.PutObject(this);
    }
}

//定義對象池的實現
public class ObjectPool where T : new()
{
    private ConcurrentQueue objects;
    private Func objectGenerator;

    public ObjectPool(Func objectGenerator)
    {
        this.objectGenerator = objectGenerator ?? throw new ArgumentNullException("Generator is null.");
        this.objects = new ConcurrentQueue();
    }

    public T GetObject()
    {
        if (this.objects.TryDequeue(out T item))
        {
            return item;
        }
        else
        {
            return this.objectGenerator();
        }
    }

    public void PutObject(T item)
    {
        this.objects.Enqueue(item);
    }
}

3、手動回收大對象：

class MyClass
{
    byte[] buffer = new byte[1024 * 1024 * 10];//10MB的大對象

    //手動釋放大對象
    ~MyClass()
    {
        if (buffer != null)
        {
            System.Runtime.InteropServices.Marshal.FreeHGlobal(new IntPtr(buffer));
            buffer = null;
        }
    }
}

上述代碼中，當MyClass對象即將被垃圾回收機制回收時，它的析構函數會釋放buffer所佔用的內存空間，避免了大對象在LOH中的碎片問題。