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，著重介紹了兩個不同的程序集加載方式獨占方式和共享方式（中立域方式）；以及基于進程范圍內(nèi)的字符串駐留。這篇將關(guān)注點放在托管對象創(chuàng)建時內(nèi)存的分配和對大對象（LO：LargeObject）的回收上，不對之處，還望各位能夠及時指出。

一、從類型（Type）與實例（Instance）談起

在面向?qū)ο蟮氖澜缰?，類型和實例是兩個核心的要素。不論是類型和實例，相關(guān)的信息比如加載到內(nèi)存中，對應(yīng)著某一塊或者多塊連續(xù)或者不連續(xù)的內(nèi)存。那么對類型和實例的內(nèi)存分配時如何進行的呢？對象是狀態(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（實際還有嵌套類型），前者表示狀態(tài)，后者表示行為。類型是對元數(shù)據(jù)的描述，而實例則是符合該元數(shù)據(jù)描述的單個個體。同一個類型下的所有實例具有相同的行為，它們通過狀態(tài)值的不同得以區(qū)分。所以內(nèi)存中的實例（本篇所說的實例指代引用類型的實例）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，當我們創(chuàng)建一個對象的時候，CLR會在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》中提到的三個特殊應(yīng)用程序域：系統(tǒng)程序域、共享程序域和默認程序域。如果說GC堆是實例的容器，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)、及時編譯的運行機制。當某個類型被第一次使用的時候，CLR試圖加載該類型。如果該類型對應(yīng)的程序沒有獨自地加載到本應(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，它會按照相應(yīng)的方式加載程序集（在這里我們假設(shè)采用獨占方式加載）。然后，將使用到的這個類型加載到本應(yīng)用程序域的加載器堆中。

加載器堆維護著自應(yīng)用程序域創(chuàng)建以來使用過的所有類型記錄，它們對應(yīng)著一個特殊的對象方法表（MethodTable）。當程序第一次執(zhí)行到某個方法的時候，CLR會定位到方法表中該條目，獲取相關(guān)信息進行JIT編譯。所以如果某個類型在加載器堆中的方法表的某個條目至少被執(zhí)行一次，它就會指向一段JIT編譯后的機器指令。

二、實例內(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？當然不是，除了這兩堆以及默認的進程堆，還有額外兩堆，一是存放JIT編譯后機器指令的JIT堆（JITHeap），另一個則是專門用于大對象的大對象堆（LOH：LargeObjectHeap）。下圖反映了CLR主要維護的這些個不同的堆。

對于大對象堆，在本文后續(xù)部分還會講述，在這里我們需要先了解CLR認為怎樣的對象是大對象。當我們實例化一個對象的時候，如果該對象大于或者等于85，000字節(jié)（這種對象一般是數(shù)組，一般對象不會這么大），CLR將認為是大對象并被放到LOH中，否則放到GC堆中。這里有一點需要讀者注意的是，作為垃圾回收器的GC并不僅僅限于針對GC堆中對象的回收，LOH中的對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、實例對類型的引用

實例是類型的實例，實例和它所對應(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中的對象具有一個對位于加載器堆中該類型的方法表的引用。實例對類型的引用通過一個特殊的對象來維系TypeHandle。我們舉個例子，在如下一段簡單的對象實例化代碼中，我先后實例化了四個對象：字符串ABC、System.Object對象、自定義Bar對象和具有85000個元素的字節(jié)數(shù)組。

stringstrInstance="ABC";

objectobjectInstance=newobject();

BarbarInstance=newBar()

byte[]largeObjInstance=newbyte[85000];

當上面的程序執(zhí)行后，圍繞著實例化的四個對象和類型信息，在內(nèi)存中將會具有如下一個關(guān)系。最左邊的是現(xiàn)成調(diào)用棧中的上述四個變量，對于字符串類型的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類型對應(yīng)的方法表（因為定義該類型的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程序域中（因為程序域默認采用獨占的方式加載）。元素個數(shù)為85000的字節(jié)數(shù)組largeObjInstance屬于大對象，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）的垃圾回收機制。代齡，個人覺得是一個很準確的詞語，它充分體現(xiàn)了設(shè)計者用于表現(xiàn)不同的對象具有不同生命周期的意思。所有對象分三代，即G0、G1和G2，這實際上代表了三個不同的連續(xù)的內(nèi)存塊。輩分越高，表明時間越久；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制，限于篇幅，就說到這里。我們的重點是GC采用怎樣的機制對LOH的對象進行回收。

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

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WeakReference對象，它們的Target分別被設(shè)置成byte[84000]和byte[85000]。按照我們上面關(guān)于對大