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[原创]CLR GC垃圾收集过程模拟（用C#来显示垃圾收集过程的视觉效果） ...

原作者: [db:作者] 来自: [db:来源] 收藏 邀请

......

废话不多说了，本人是搞Web方向的，C/S不太熟悉，先看界面图（比较粗糙），这里仅仅是从一个视觉的效果来初步显示GC相对应的操作（简单的效果显示，并不是真正的GC内幕，那个我也不懂）

 

基本概念

对象的生成过程（newobj指令）

1：计算类型（包括基类）所有字段的字节总数

2: 字节总数再加上对象开销字段字节数（相加为：对象所需的字节数）。每个对象包含2个开销字段：类型对象指针以及同步块索引。WIN32中，各占32位，WIN64中，各占64位。

3：CLR检测托管堆中是否有足够的空间满足对象所需的字节数。如果满足，对象将被分配在NextObjPtr指针指示的地方，实例构造器被调用，（new操作）返回对象的内存地址。指针NextObjPtr越过对象所在的区域，指示下一个新建对象在托管堆中的地址。如果不满足，进行垃圾收集。

 

根

每一个应用程序都有一组根Root。一个根是一个存储地址，包含一个指向类型对象的指针。

该指针有2种形式：（1）指向托管堆中的一个对象。（2）设为null。

根包括静态字段，方法参数，局部变量，CPU寄存器。

 

对象的代

托管堆中，对象的代大概为0代，1代，2代，相应的内存容量为256K，2M，10M。当然，垃圾收集器也会自动调整预算容量。

 

终结操作和释放模式

终结操作（Finalize（）方法）可以确保托管对象在释放内存的同时不会泄露本地资源，但是不能确定它在何时被调用。

释放模式（Dispose()方法）：当对象不再被使用的时候显示的释放掉它所占有的资源。        （更多控制）注：可以用来控制在对象生命周期内资源的重复利用，例如connection资源不一定每次操作都要关闭。

下序的代码显示了GC.Collect()方法将使Finalize（）方法被调用：

 public static class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            new GCNotice();
            Timer timer = new Timer(TimerCallBack,null,0,2000);
            Console.ReadLine();
            timer.Dispose();
        }
        private static void TimerCallBack(object obj)  
        {
            Console.WriteLine("GC START Time:"+DateTime.Now.ToString());
            GC.Collect();
            Console.WriteLine("GC END Time:" + DateTime.Now.ToString());
        }
    }

    sealed class GCNotice
    {
       ~GCNotice(){
           Console.Beep();
           Console.WriteLine("*********GCNotice FINALIZE():"+DateTime.Now.ToString());
           if(!AppDomain.CurrentDomain.IsFinalizingForUnload())
           {
             new GCNotice();
           }
       }
    }

 

 ~GCNotice(){
}  析构函数（C++）就是我们所说的终结操作（与C++不同），也就是Finalize()方法。在下列事件中将触发：

（1）：第0代对象充满时（垃圾收集）。

（2）：代码显示调用System.GC.Collect()。

（3）：Windoms报告内存不足。

（4）：CLR卸载应用程序域。

（5）：CLR关闭。

 

一般情况下，如果一个类型中本地资源需求比较大，建议使用HandleCollector来促进GC.Collect()执行（释放资源）。

代码
namespace System.Runtime.InteropServices
{
    // 摘要:
    //     跟踪未处理的句柄，并在达到指定阈值时强制执行垃圾回收。
    public sealed class HandleCollector
    {
        // 摘要:
        //     使用一个名称以及一个阈值（在达到该值时开始执行句柄回收）初始化 System.Runtime.InteropServices.HandleCollector
        //     类的新实例。
        //
        // 参数:
        //   name:
        //     回收器的名称。此参数允许您为跟踪句柄类型的回收器分别命名。
        //
        //   initialThreshold:
        //     指定何时开始执行回收的值。
        //
        [TargetedPatchingOptOut("Performance critical to inline this type of method across NGen image boundaries")]
        public HandleCollector(string name, int initialThreshold);
        // 摘要:  
        //     增加当前句柄计数。
              public void Add();
        //     减少当前句柄计数。
        //
              public void Remove();
      }
}

 

     

public HandleCollector(string name, int initialThreshold);     //组合到类型中，实例化

public void Add();//构造函数中运用
public void Remove();//析构函数中运用

 

终结链表与终结可达队列

创建一个新对象时，如果对象的类型定义了Finalize()方法，那么指向该对象的指针将被放到终结链表中。终结链表上的每一个条目都引用着一个对象，指示GC在回收这些对象之前调用它们的Finalize()方法。

 

 

主要过程如下

好了，概念的东西不再介绍了，本人思路如下：

 

（一）准备工作：创建一个DataObject类型（模拟一个对象实体），DataObjects（对象集合），DataObjectManager（对象集合管理）。

（二）初始化一个属性值为随机值的 DataObject对象

（三）判断托管堆0代内存是否充足，如果满足则分配对象内存（模拟）（如果有终结方法，则添加引用到终结链表中）。如果不满足，进行垃圾收集。

（四）垃圾收集操作：细分为0，1，2代的比较判断与操作

（五）收集后内容的显示，调用面板panel的refresh()方法。

（六）随机修改原对象集合中的对象的值 HasRoot为false（后来添加的），标识无根。

 

(一) 准备工作

先自创建一个类，主要是以该对象来作为操作的。

 

 public class DataObject : Jasen.GCShow.IDataObject
    {
        public Boolean HasFinalizeMethod { get; set; }
        public Boolean HasRoot { get; set; }
        public Int32 Number { get ;set; }
        public System.Drawing.Color Color { get;set; }
        public String OXString{
            get{
                //return (HasRoot ? "R" : "0") + (HasFinalizeMethod ? "F" : ""); 
                return (HasFinalizeMethod ? "[F]" : "[!F]");
            }
        }
         
        public String Name { get; set; }
        public String NiceName { get; set; }
        public Int32 Generation { get; set; }
    }

 

然后就是该类对象集合，实现遍历以及索引：
  public class DataObjects : IEnumerable, Jasen.GCShow.IDataObjects
    {
        private List<DataObject> objectList=null;
        public DataObjects(List<DataObject> objects) {
            this.objectList = objects;
        }
        public DataObjects(){
        this.objectList=new  List<DataObject>();
        }
        public void Add(DataObject item)
        {
            if(!objectList.Contains(item)){
            objectList.Add(item);
            }
        }
        public void Remove(DataObject item)
        {
            if (objectList.Contains(item)){
                objectList.Remove(item);
            }
        }
        public int Count()
        {
            if(objectList==null){
                return 0;
            }
            return objectList.Count;
        }
        public DataObject this[int i]{
            get{
                if (objectList != null && objectList.Contains(objectList[i])){
                    return objectList[i];
                }
                else{
                    return default(DataObject);
                }
            }
            set{
                objectList[i] = value;
            }
        }
        #region IEnumerable 成员

        IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
        {
             for (int i = 0; i < objectList.Count(); i++)
             {
                yield return this[i];
             }
        }
        #endregion
    }

 

其次就是该对象集合的管理类，负责所有对象的ItemCollection,以及0，1，2代对象集合，以及终结链表，终结可达队列

 1  public class DataObjectManager : Jasen.GCShow.IDataObjectManager 
 2     {
 3         DataObjects items = new DataObjects();
 4         Queue<DataObject> freachableQueue = new Queue<DataObject>();
 5         DataObjects finalizeTable = new DataObjects();
 6 
 7         public DataObjects ItemsCollection 
 8         {
 9             get { return items; }
10             set { items = value; }
11         }
12         public DataObjects ZeroGenerationCollection
13         {
14             get { return GetCollection(0); }
15         }
16 
17         public DataObjects GetCollection(int generation) 
18         {
19            if (ItemsCollection.Count() == 0) return null;
20            DataObjects generationObjects = new DataObjects();
21            foreach(DataObject obj in ItemsCollection){
22               if(obj.Generation==generation){
23                   generationObjects.Add(obj);
24               }
25            }
26             return generationObjects;
27         }
28         public DataObjects OneGenerationCollection
29         {
30             get { return GetCollection(1); }
31         }
32         public DataObjects TwoGenerationCollection 
33         {
34             get { return GetCollection(2); }
35         }
36         public DataObjects FinalizeTable  
37         {
38             get { return finalizeTable; }
39             set { finalizeTable = value; }
40         }
41         public Queue<DataObject> FreachableQueue 
42         {
43             get { return freachableQueue; }
44             set { freachableQueue = value; }  
45         }  
46     }

 

 

（二）初始化一个属性值为随机值的 DataObject对象

通过随机设置类的值来实例化一个对象

DataObject item = new DataObject()
            {
                HasFinalizeMethod = Randoms.GetRandomBoolen(0.3),
                HasRoot = Randoms.GetRandomBoolen(0.6),
                Color = Randoms.GetRandomColor(),
                Number = Randoms.RandomNum(1, 3),
                Name = Guid.NewGuid().ToString(),
                NiceName = Randoms.AddNum().ToString(),
                Generation = 0 // 默认为0代
            };

 

以上的值大部分是随机的，不确定的，比如下面的方法----->返回随机比例为rate（比如0.3）的true值，它等价于有30%的概率返回true,70%概率返回false，

 /// <summary>
        /// 返回随机比例为rate的 true值
        /// </summary>
        /// <param name="rate"></param>
        /// <returns></returns>
        public static Boolean GetRandomBoolen(double rate) {
            if (rate < 0 || rate > 1) throw new  ArgumentOutOfRangeException("rate must be between 0 to 1");
            Random random = new Random((int)DateTime.Now.Ticks);
            System.Threading.Thread.Sleep(100);
            if(random.Next(0,10000)>=10000*(1-rate)){
                return true;
            }
            return false;
        }

 

 随机颜色如下

 public static Color GetRandomColor()
        {
            Random randomFirst = new Random((int)DateTime.Now.Ticks); 
            System.Threading.Thread.Sleep(300);
            Random randomSencond = new Random((int)DateTime.Now.Ticks);
            System.Threading.Thread.Sleep(300);
            Random randomThird = new Random((int)DateTime.Now.Ticks);
            int intRed = randomFirst.Next(256);
            int intGreen = randomSencond.Next(256);
            int intBlue = randomThird.Next(256);
            return Color.FromArgb(intRed, intGreen, intBlue);
        }

 

 

（三）判断托管堆0代内存是否充足

判断的大概过程如下：

 #region newobject指令过程
        private Int32 CHARTOTALNUMBER = 0;
        private void NewObjectOperationProcess(DataObject item){
            //计算类型所有字段的字节总数
            CHARTOTALNUMBER = CountTypeCharTotalNumber(item);
            //计算2个开销字段：类型对象指针，同步块索引   WIN32--32位×2=64位=8字节
            CountObjectExtraCharNumber();
            //判断0代对象内存（256K）是否含有所需的字节数  （长度）
            Boolean isEnough= CheckZeroGenerationHasEnoughChars();
            //计算新建对象在托管堆中的地址     （长度）
            if (isEnough)
            {
                RefreshZeroGenenrationAndFinalizeTable(item);
            }
            else { 
            //回收垃圾
                GCCollect(item);
            }
        }

 

如果托管堆0代内存充足，那么显示如下：

上面显示的是对象含有根，没有终结方法。我们来看一张含有终结方法的图，含有终结方法的对象会被添加引用到终结链表中，如下：

 

（四）垃圾收集操作：细分为0，1，2代的比较判断与操作

（1）处理托管堆0代对象的主要操作如下：

  private void GCSystemOperation()
        {
            ClearFreachableQueue();
            DataObjects temps = new DataObjects();

            //清理没根的没终结方法的0代对象  0代对象 +1 （清除）
            DataObjects list = manager.ZeroGenerationCollection;
            if (list == null) return;
            foreach (DataObject obj in list)
            {
                //如果对象没有根 并且没有终结方法
                if (obj.HasRoot == false && obj.HasFinalizeMethod == false){
                    manager.ItemsCollection.Remove(obj);
                }
                else
                {
                    temps.Add(obj);
                    //obj.Generation++;
                }
            }
            if(temps.Count()>0){
                int tempsLength=CountSize(temps);
                int oneGenerationCurrentLength = CountSize(manager.OneGenerationCollection);
                Boolean isOneGenerationEnough = (SystemConst.OneGenerationLength-oneGenerationCurrentLength > tempsLength)?true:false;
                if (isOneGenerationEnough)
                {
                    GenerationAddOne(temps);
                }
                else {
                    //处理托管堆1代对象
                    MessageBox.Show("处理托管堆1代对象！");
                    HandleOneGeneration(temps);              
                }
            }
        }

 

当一直添加对象时，达到如下情况：

我们不知道下一个对象的内存大小，很有下一次就会可能发生垃圾收集。如下图所示，当托管堆0代对象内存容量不足时，会触发垃圾收集：

 

其中先清理可达队列中的数据对象，（含有Finalize()终结方法并且无根，一般情况为在第1次收集时将终结链表中的指针移动至终结可达队列中，这样可达队列中才有指针。第2次收集就会将可达队列中的指针清理）

执行下列代码：

 1  private void ClearFreachableQueue()
 2         {
 3             //清理终结可达队列中的对象 没根 有终结方法 （清除）   一般为清理上次收集数据
 4             while (manager.FreachableQueue.Count > 0){
 5                 DataObject obj = manager.FreachableQueue.Dequeue();
 6                 manager.ItemsCollection.Remove(obj);
 7             }
 8             MessageBox.Show("清理可达队列对象");
 9             //终结链表中的数据  --》可达队列 
10             foreach (DataObject item in manager.FinalizeTable){
11                 if (item.HasRoot == false){
12                     manager.FreachableQueue.Enqueue(item);
13                 }
14             }
15             MessageBox.Show("将终结链表中的可达对象移动至可达队列");
16             foreach (DataObject obj in manager.FreachableQueue){
17                 manager.FinalizeTable.Remove(obj);
18             }
19             MessageBox.Show("移除终结链表中包含的可达队列对象");
20         }

 

显然，将终结链表的数据移动到可达队列后，然后再移除终结链表包含的可达队列的指针，操作后如下：

 

（2）处理托管堆1代对象的主要操


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