C#內(nèi)存管理CLR深入講解(下篇)

第C#內(nèi)存管理CLR深入講解(下篇)《上篇》中我們主要討論的是程序集（Assembly）和應(yīng)用程序域（AppDomain）的話題，著重介紹了兩個(gè)不同的程序集加載方式獨(dú)占方式和共享方式（中立域方式）；以及基于進(jìn)程范圍內(nèi)的字符串駐留。這篇將關(guān)注點(diǎn)放在托管對(duì)象創(chuàng)建時(shí)內(nèi)存的分配和對(duì)大對(duì)象（LO：LargeObject）的回收上，不對(duì)之處，還望各位能夠及時(shí)指出。

一、從類型（Type）與實(shí)例（Instance）談起

在面向?qū)ο蟮氖澜缰校愋秃蛯?shí)例是兩個(gè)核心的要素。不論是類型和實(shí)例，相關(guān)的信息比如加載到內(nèi)存中，對(duì)應(yīng)著某一塊或者多塊連續(xù)或者不連續(xù)的內(nèi)存。那么對(duì)類型和實(shí)例的內(nèi)存分配時(shí)如何進(jìn)行的呢？對(duì)象是狀態(tài)和行為的組合體，所以從.NETFramework的角度來看類型，它只具有兩種類型的成員字段和方法（實(shí)際還有嵌套類型），前者表示狀態(tài)，后者表示行為。類型是對(duì)元數(shù)據(jù)的描述，而實(shí)例則是符合該元數(shù)據(jù)描述的單個(gè)個(gè)體。同一個(gè)類型下的所有實(shí)例具有相同的行為，它們通過狀態(tài)值的不同得以區(qū)分。所以內(nèi)存中的實(shí)例（本篇所說的實(shí)例指代引用類型的實(shí)例）表示的是字段值，而內(nèi)存中的類型表示的則是類型成員結(jié)構(gòu)的元數(shù)據(jù)。很多人都知道，當(dāng)我們創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，CLR會(huì)在GC堆（Heap）中開辟一塊連續(xù)的內(nèi)存空間保存字段值。那么類型信息又是保存在那塊內(nèi)存上呢？

實(shí)際上，類型信息保存在另一堆上，我們稱之為加載器堆（LoaderHeap）。每一個(gè)應(yīng)用程序域都具有各自的加載器堆，即包括我們創(chuàng)建的普通應(yīng)用程序域，也包括《上篇》中提到的三個(gè)特殊應(yīng)用程序域：系統(tǒng)程序域、共享程序域和默認(rèn)程序域。如果說GC堆是實(shí)例的容器，那么基于應(yīng)用程序域的加載器堆就是類型的容器。CLR采用按需加載(這里指的是類型，不是程序集)、及時(shí)編譯的運(yùn)行機(jī)制。當(dāng)某個(gè)類型被第一次使用的時(shí)候，CLR試圖加載該類型。如果該類型對(duì)應(yīng)的程序沒有獨(dú)自地加載到本應(yīng)用程序域中，或者沒有通過中立域的形式加載到共享程序域中，它會(huì)按照相應(yīng)的方式加載程序集（在這里我們假設(shè)采用獨(dú)占方式加載）。然后，將使用到的這個(gè)類型加載到本應(yīng)用程序域的加載器堆中。

加載器堆維護(hù)著自應(yīng)用程序域創(chuàng)建以來使用過的所有類型記錄，它們對(duì)應(yīng)著一個(gè)特殊的對(duì)象方法表（MethodTable）。當(dāng)程序第一次執(zhí)行到某個(gè)方法的時(shí)候，CLR會(huì)定位到方法表中該條目，獲取相關(guān)信息進(jìn)行JIT編譯。所以如果某個(gè)類型在加載器堆中的方法表的某個(gè)條目至少被執(zhí)行一次，它就會(huì)指向一段JIT編譯后的機(jī)器指令。

二、實(shí)例內(nèi)存分配不僅限于GC堆

到現(xiàn)在為止，我們知道了類型和實(shí)例分別分配于基于應(yīng)用程序域的加載器堆和GC堆中，那么CLR的內(nèi)存分配僅僅限于這兩堆嗎？當(dāng)然不是，除了這兩堆以及默認(rèn)的進(jìn)程堆，還有額外兩堆，一是存放JIT編譯后機(jī)器指令的JIT堆（JITHeap），另一個(gè)則是專門用于大對(duì)象的大對(duì)象堆（LOH：LargeObjectHeap）。下圖反映了CLR主要維護(hù)的這些個(gè)不同的堆。

對(duì)于大對(duì)象堆，在本文后續(xù)部分還會(huì)講述，在這里我們需要先了解CLR認(rèn)為怎樣的對(duì)象是大對(duì)象。當(dāng)我們實(shí)例化一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，如果該對(duì)象大于或者等于85，000字節(jié)（這種對(duì)象一般是數(shù)組，一般對(duì)象不會(huì)這么大），CLR將認(rèn)為是大對(duì)象并被放到LOH中，否則放到GC堆中。這里有一點(diǎn)需要讀者注意的是，作為垃圾回收器的GC并不僅僅限于針對(duì)GC堆中對(duì)象的回收，LOH中的對(duì)象的回收工作通過在GC的管轄之下。所以從某種意義上講：你可以將之前提到的GC堆理解為SOH（SmallObjectHeap），或者稱之為狹義GC堆，而將廣義GC堆理解為SOH+LOH。

三、實(shí)例對(duì)類型的引用

實(shí)例是類型的實(shí)例，實(shí)例和它所對(duì)應(yīng)的類型需要維持一種聯(lián)系。反映在內(nèi)存中，就以為著分配在GC堆或者是LOH中的對(duì)象具有一個(gè)對(duì)位于加載器堆中該類型的方法表的引用。實(shí)例對(duì)類型的引用通過一個(gè)特殊的對(duì)象來維系TypeHandle。我們舉個(gè)例子，在如下一段簡單的對(duì)象實(shí)例化代碼中，我先后實(shí)例化了四個(gè)對(duì)象：字符串ABC、System.Object對(duì)象、自定義Bar對(duì)象和具有85000個(gè)元素的字節(jié)數(shù)組。

stringstrInstance="ABC";

objectobjectInstance=newobject();

BarbarInstance=newBar()

byte[]largeObjInstance=newbyte[85000];

當(dāng)上面的程序執(zhí)行后，圍繞著實(shí)例化的四個(gè)對(duì)象和類型信息，在內(nèi)存中將會(huì)具有如下一個(gè)關(guān)系。最左邊的是現(xiàn)成調(diào)用棧中的上述四個(gè)變量，對(duì)于字符串類型的strInstance，由于《上篇》所講述的關(guān)于字符串駐留機(jī)制，最后總的字符串被分配到系統(tǒng)程序域中；Object和Bar類型的objectInstance與barInstance由于是小于85000字節(jié)的小對(duì)象，所以被分配到GC堆中。objectInstance通過TypeHandle指向位于共享程序域中System.Objhect類型對(duì)應(yīng)的方法表（因?yàn)槎x該類型的mscorlib程序集以中立域的方式加載），而barInstance得TypeHandle指向的基于Bar類型的方法表則位于默認(rèn)程序域中（因?yàn)槌绦蛴蚰J(rèn)采用獨(dú)占的方式加載）。元素個(gè)數(shù)為85000的字節(jié)數(shù)組largeObjInstance屬于大對(duì)象，直接分配到LOH中。largeObjInstance的TypeHandle指向的基于System.Byte[]類型的方法表，該System.Byte[]類型同樣定義在mscorlib程序集中，所以該方法表同樣存在于共享程序域的加載器堆。

四、LOH中的對(duì)象如何被回收

了解GC的讀者應(yīng)該都知道CLR采用基于代齡（Generation）的垃圾回收機(jī)制。代齡，個(gè)人覺得是一個(gè)很準(zhǔn)確的詞語，它充分體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者用于表現(xiàn)不同的對(duì)象具有不同生命周期的意思。所有對(duì)象分三代，即G0、G1和G2，這實(shí)際上代表了三個(gè)不同的連續(xù)的內(nèi)存塊。輩分越高，表明時(shí)間越久；輩分越低，被掃蕩（GC回收）的頻率就越高。關(guān)于基于代齡的垃圾回收機(jī)制，限于篇幅，就說到這里。我們的重點(diǎn)是GC采用怎樣的機(jī)制對(duì)LOH的對(duì)象進(jìn)行回收。

到目前為止，對(duì)于LOH和GC堆中的對(duì)象，除了大小之外，我們好像沒有覺得它們之間有何不同。實(shí)際上，將大對(duì)象放在LOH中，目的在于對(duì)其實(shí)施特殊的回收機(jī)制。關(guān)于垃圾收回，我們應(yīng)該有這樣的認(rèn)知：回收的成本是和對(duì)象的大小基本成正向關(guān)系，對(duì)象越大，回收成本就越大。所以我們不能對(duì)大對(duì)象頻繁地實(shí)施垃圾回收，實(shí)際上CLR是將LOH對(duì)象當(dāng)成最高代齡的對(duì)象。也就是說，針對(duì)LOH的回收工作是和GC堆中G2一并進(jìn)行的。換句話說，當(dāng)G2或者LOH的剩余空間低于某個(gè)限度，針對(duì)它們的垃圾回收便被觸發(fā)。關(guān)于LOH的垃圾回收機(jī)制，我們可以通過一個(gè)非常簡單的程序來驗(yàn)證。

classProgram

staticWeakReferenceSmallObjRef;

staticWeakReferenceLargeObjRef;

staticvoidMain(string[]args)

SetValues();

GC.Collect(0);

Console.WriteLine("GC.Collect(0)");

Console.WriteLine("SmallObjRef.Target==null{0}",SmallObjRef.Target==null);

Console.WriteLine("LargeObjRef.Target==null{0}\n",LargeObjRef.Target==null);

GC.Collect(1);

Console.WriteLine("GC.Collect(1)");

Console.WriteLine("LargeObjRef.Target==null{0}\n",LargeObjRef.Target==null);

GC.Collect(2);

Console.WriteLine("GC.Collect(2)");

Console.WriteLine("LargeObjRef.Target==null{0}\n",LargeObjRef.Target==null);

staticvoidSetValues()

SmallObjRef=newWeakReference(newbyte[84000]);

LargeObjRef=newWeakReference(newbyte[85000]);

}

輸出結(jié)果：

GC.Collect(0)

SmallObjRef.Target==nullTrue

LargeObjRef.Target==nullFalse

GC.Collect(1)

LargeObjRef.Target==nullFalse

GC.Collect(2)

LargeObjRef.Target==nullTrue

在上面的代碼中沒，我創(chuàng)建了兩個(gè)WeakReference對(duì)象，它們的Target分別被設(shè)置成byte[84000]和byte[85000]。按照我們上面關(guān)于對(duì)大