Сборщик мусора в C#

Ранее в теме Типы значений и ссылочные типы мы рассматривали отдельные типы данных и как они располагаются в памяти. Так, при использовании переменных типов значений в методе, все значения этих переменных попадают в стек. После завершения работы метода стек очищается.

При использовании же ссылочных типов, например, объектов классов, для них также будет отводиться место в стеке, только там будет храниться не значение, а адрес на участок памяти в хипе или куче, в котором и будут находиться сами значения данного объекта. И если объект класса перестает использоваться, то при очистке стека ссылка на участок памяти также очищается, однако это не приводит к немедленной очистке самого участка памяти в куче. Впоследствии сборщик мусора (garbage collector) увидит, что на данный участок памяти больше нет ссылок, и очистит его.

Например:

Test();

void Test()
{
    Person tom = new Person("Tom");
    Console.WriteLine(tom.Name);
}
record class Person(string Name);

В методе Test создается объект Person. С помощью оператора new в куче для хранения объекта CLR выделяет участок памяти. А в стек добавляет адрес на этот участок памяти. В неявно определенном методе Main мы вызываем метод Test. И после того, как Test отработает, место в стеке очищается, а сборщик мусора очищает ранее выделенный под хранение объекта Person участок памяти.

Сборщик мусора не запускается сразу после удаления из стека ссылки на объект, размещенный в куче. Он запускается в то время, когда среда CLR обнаружит в этом потребность, например, когда программе требуется дополнительная память.

Как правило, объекты в куче располагаются неупорядочено, между ними могут иметься пустоты. Куча довольно сильно фрагментирована. Поэтому после очистки памяти в результате очередной сборки мусора оставшиеся объекты перемещаются в один непрерывный блок памяти. Вместе с этим происходит обновление ссылок, чтобы они правильно указывали на новые адреса объектов.

Так же надо отметить, что для крупных объектов существует своя куча - Large Object Heap. В эту кучу помещаются объекты, размер которых больше 85 000 байт. Особенность этой кучи состоит в том, что при сборке мусора сжатие памяти не проводится по причине больших издержек, связанных с размером объектов.

Несмотря на то что, на сжатие занятого пространства требуется время, да и приложение не сможет продолжать работу, пока не отработает сборщик мусора, однако благодаря подобному подходу также происходит оптимизация приложения. Теперь чтобы найти свободное место в куче среде CLR не надо искать островки пустого пространства среди занятых блоков. Ей достаточно обратиться к указателю кучи, который указывает на свободный участок памяти, что уменьшает количество обращений к памяти.

Кроме того, чтобы снизить издержки от работы сборщика мусора, все объекты в куче разделяются по поколениям. Всего существует три поколения объектов: 0, 1 и 2-е.

К поколению 0 относятся новые объекты, которые еще ни разу не подвергались сборке мусора. К поколению 1 относятся объекты, которые пережили одну сборку, а к поколению 2 - объекты, прошедшие более одной сборки мусора.

Когда сборщик мусора приступает к работе, он сначала анализирует объекты из поколения 0. Те объекты, которые остаются актуальными после очистки, повышаются до поколения 1.

Если после обработки объектов поколения 0 все еще необходима дополнительная память, то сборщик мусора приступает к объектам из поколения 1. Те объекты, на которые уже нет ссылок, уничтожаются, а те, которые по-прежнему актуальны, повышаются до поколения 2.

Поскольку объекты из поколения 0 являются более молодыми и нередко находятся в адресном пространстве памяти рядом друг с другом, то их удаление проходит с наименьшими издержками.

Класс System.GC

Функционал сборщика мусора в библиотеке классов .NET представляет класс System.GC. Через статические методы данный класс позволяет обращаться к сборщику мусора. Как правило, надобность в применении этого класса отсутствует. Наиболее распространенным случаем его использования является сборка мусора при работе с неуправляемыми ресурсами, при интенсивном выделении больших объемов памяти, при которых необходимо такое же быстрое их освобождение.

Рассмотрим некоторые методы и свойства класса System.GC:

• Метод AddMemoryPressure информирует среду CLR о выделении большого объема неуправляемой памяти, которую надо учесть при планировании сборки мусора. В связке с этим методом используется метод RemoveMemoryPressure, который указывает CLR, что ранее выделенная память освобождена, и ее не надо учитывать при сборке мусора.

• Метод Collect приводит в действие механизм сборки мусора. Перегруженные версии метода позволяют указать поколение объектов, вплоть до которого надо произвести сборку мусора

• Метод GetGeneration(Object) позволяет определить номер поколения, к которому относится переданый в качестве параметра объект

• Метод GetTotalMemory возвращает объем памяти в байтах, которое занято в управляемой куче

• Метод WaitForPendingFinalizers приостанавливает работу текущего потока до освобождения всех объектов, для которых производится сборка мусора

Работать с методами System.GC несложно:

// .................................
long totalMemory = GC.GetTotalMemory(false);

GC.Collect();
GC.WaitForPendingFinalizers();
//......................................

С помощью перегруженных версий метода GC.Collect можно выполнить более точную настройку сборки мусора. Так, его перегруженная версия принимает в качестве параметра число - номер поколения, вплоть до которого надо выполнить очистку. Например, GC.Collect(0) - удаляются только объекты поколения 0.

Еще одна перегруженная версия принимает еще и второй параметр - перечисление GCCollectionMode. Это перечисление может принимать три значения:

• Default: значение по умолчанию для данного перечисления (Forced)

• Forced: вызывает немедленное выполнение сборки мусора

• Optimized: позволяет сборщику мусора определить, является ли текущий момент оптимальным для сборки мусора

Например, немедленная сборка мусора вплоть до первого поколения объектов: GC.Collect(1, GCCollectionMode.Forced);