分代回收算法 - 元素码农

发布时间: 2025-03-24 11:03

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# 分代回收算法

## 概述

.NET的垃圾回收器采用分代回收算法来提高回收效率。这种算法基于两个重要的观察结论：

1. 大多数对象的生命周期都很短
2. 存活时间较长的对象往往会继续存活

基于这些特点，CLR将托管堆分为三个代：第0代、第1代和第2代。

## 分代机制

### 1. 代的定义

```csharp
public class GenerationalGCExample
{
    public void DemonstrateGenerations()
    {
        // 第0代对象 - 新分配的对象
        var shortLived = new byte[1000];
        
        // 第1代对象 - 经过一次GC后存活的对象
        var mediumLived = new List<int>();
        GC.Collect(0); // 触发第0代回收
        
        // 第2代对象 - 经过多次GC后存活的对象
        var longLived = new Dictionary<string, object>();
        GC.Collect(1); // 触发第1代回收
    }
}
```

### 2. 对象晋升

```csharp
public class ObjectPromotionExample
{
    private class SurvivingObject
    {
        private byte[] data;
        
        public SurvivingObject()
        {
            data = new byte[1000];
        }
        
        public void Simulate()
        {
            // 第0代分配
            var gen0Before = GC.GetGeneration(this);
            Console.WriteLine($"初始代数: {gen0Before}");
            
            // 触发GC
            GC.Collect(0);
            
            // 对象晋升到第1代
            var gen1After = GC.GetGeneration(this);
            Console.WriteLine($"GC后代数: {gen1After}");
        }
    }
}
```

## 回收策略

### 1. 回收触发条件

```csharp
public class GCTriggerExample
{
    public void DemonstrateTriggers()
    {
        // 1. 分配触发
        var largeArray = new byte[85000]; // 可能触发GC
        
        // 2. 显式触发
        GC.Collect(); // 触发完整GC
        
        // 3. 内存压力触发
        var memoryPressure = GC.GetTotalMemory(false);
        if (memoryPressure > threshold)
        {
            GC.Collect(0, GCCollectionMode.Optimized);
        }
    }
    
    private static long threshold = 100000000; // 100MB
}
```

### 2. 回收过程

```csharp
public class GCProcessExample
{
    public void ExplainGCProcess()
    {
        // 1. 标记阶段
        var root = new Node()
        {
            Next = new Node()
            {
                Data = "可达对象"
            }
        };
        
        // 2. 压缩阶段
        GC.Collect();
        GC.WaitForPendingFinalizers();
        
        // 3. 晋升判断
        Console.WriteLine($"对象代数: {GC.GetGeneration(root)}");
    }
    
    private class Node
    {
        public Node Next { get; set; }
        public string Data { get; set; }
    }
}
```

## 性能优化

### 1. 代际假设优化

```csharp
public class GenerationalOptimizationExample
{
    public void OptimizeAllocation()
    {
        // 1. 对象池化
        var pool = new ObjectPool<byte[]>(
            createFunc: () => new byte[1000],
            maxObjects: 100);
        
        // 2. 大对象处理
        var largeObject = new byte[85000]; // 直接分配到LOH
        
        // 3. 临时对象优化
        using var tempBuffer = new MemoryStream();
        ProcessData(tempBuffer);
    }
    
    private void ProcessData(Stream stream)
    {
        // 处理数据但不产生过多临时对象
        Span<byte> buffer = stackalloc byte[1024];
        stream.Read(buffer);
    }
}
```

### 2. 回收模式选择

```csharp
public class GCModeExample
{
    public void ConfigureGCMode()
    {
        // 1. 工作站GC
        GCSettings.LatencyMode = GCLatencyMode.Interactive;
        
        // 2. 服务器GC
        // 在应用配置文件中设置:
        // <configuration>
        //   <runtime>
        //     <gcServer enabled="true"/>
        //   </runtime>
        // </configuration>
        
        // 3. 并发GC
        var isConcurrent = GCSettings.IsServerGC &&
            Environment.ProcessorCount > 1;
        
        Console.WriteLine($"使用并发GC: {isConcurrent}");
    }
}
```

## 最佳实践

### 1. 内存管理策略

```csharp
public class MemoryManagementExample
{
    public void ApplyBestPractices()
    {
        // 1. 使用using语句
        using var resource = new DisposableResource();
        resource.Process();
        
        // 2. 避免终结器
        var noFinalizer = new ResourceWithoutFinalizer();
        
        // 3. 实现IDisposable
        public class DisposableResource : IDisposable
        {
            private bool disposed = false;
            private IntPtr handle;
            
            protected virtual void Dispose(bool disposing)
            {
                if (!disposed)
                {
                    if (disposing)
                    {
                        // 释放托管资源
                    }
                    
                    // 释放非托管资源
                    if (handle != IntPtr.Zero)
                    {
                        Marshal.FreeHGlobal(handle);
                        handle = IntPtr.Zero;
                    }
                    
                    disposed = true;
                }
            }
            
            public void Dispose()
            {
                Dispose(true);
                GC.SuppressFinalize(this);
            }
        }
    }
}
```

### 2. 性能监控

```csharp
public class GCMonitoringExample
{
    public void MonitorGCPerformance()
    {
        // 1. GC事件监听
        GC.RegisterForFullGCNotification(
            maxGenerationThreshold: 9,
            largeObjectHeapThreshold: 9);
        
        // 2. 性能计数器
        using var gcCounter = new PerformanceCounter(
            ".NET CLR Memory",
            "# Gen 0 Collections",
            Process.GetCurrentProcess().ProcessName);
        
        // 3. 内存使用分析
        var before = GC.GetTotalMemory(false);
        ProcessLargeData();
        var after = GC.GetTotalMemory(false);
        
        Console.WriteLine($"内存增长: {after - before} bytes");
    }
    
    private void ProcessLargeData()
    {
        // 处理大量数据的业务逻辑
    }
}
```

## 总结

分代回收算法是.NET中非常重要的内存管理机制，它通过：

1. 分代管理
   - 按对象年龄分类
   - 优化回收效率
   - 减少内存碎片

2. 智能优化
   - 自适应回收
   - 并发回收
   - 大对象处理

3. 性能提升
   - 减少暂停时间
   - 提高吞吐量
   - 优化内存使用

通过合理使用分代回收机制，我们可以：
- 提高应用性能
- 减少内存压力
- 优化资源使用
- 提升用户体验