《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(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)放在托管對象創(chuàng)建時內(nèi)存的分配和對大對象（LO：Large Object）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(shí)例（Instance）談起

在面向?qū)ο蟮氖澜缰?，類型和?shí)例是兩個核心的要素。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(shí)例的內(nèi)存分配時如何進(jìn)行的呢？對象是“狀態(tài)”和“行為”的組合體，所以從.NET Framework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)描述的單個個體。同一個類型下的所有實(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(shí)際上，類型信息保存在“另一堆”上，我們稱之為加載器堆（Loader Heap）。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(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)、及時編譯”的運(yùn)行機(jī)制。當(dāng)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(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，它們對應(yīng)著一個特殊的對象——方法表（Method Table）。當(dāng)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(jìn)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(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（JIT Heap），另一個則是專門用于“大對象”的大對象堆（LOH： Large Object Heap）。下圖反映了CLR主要維護(hù)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(rèn)為怎樣的對象是“大對象”。當(dāng)我們實(shí)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(rèn)為是“大對象”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（Small Object Heap），或者稱之為“狹義GC堆”，而將“廣義GC堆”理解為SOH+LOH。

三、實(shí)例對類型的引用

實(shí)例是類型的實(shí)例，實(shí)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(shí)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(shí)例化代碼中 ，我先后實(shí)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。

string strInstance         = "ABC";
object objectInstance      = new object();
Bar barInstance            = new Bar()
byte[] largeObjInstance    = new byte[85000];

當(dāng)上面的程序執(zhí)行后，圍繞著實(shí)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(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?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(jī)制。代齡，個人覺得是一個很準(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(shí)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(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LOH的對象進(jìn)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(shí)際上，將大對象放在LOH中，目的在于對其實(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(shí)施垃圾回收，實(shí)際上CLR是將LOH對象當(dāng)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(jìn)行的。換句話說，當(dāng)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(jī)制，我們可以通過一個非常簡單的程序來驗(yàn)證。

class Program
{
    static WeakReference SmallObjRef;
    static WeakReference LargeObjRef;
 
    static void Main(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);
    }
 
    static void SetValues()
    {
        SmallObjRef = new WeakReference(new byte[84000]);
        LargeObjRef = new WeakReference(new byte[85000]);
    }    
}

輸出結(jié)果：

GC.Collect(0)
SmallObjRef.Target == null? True
LargeObjRef.Target == null? False
 
GC.Collect(1)
LargeObjRef.Target == null? False
 
GC.Collect(2)
LargeObjRef.Target == null? True

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“大對象”的界定，后者是大對象，前者不是。然后，我們先后三次對G0、G1和G2實(shí)施垃圾回收，我們發(fā)現(xiàn)“小對象”在實(shí)施針對G0的垃圾回收后就沒了；而“大對象”會一直存活直到針對G2的垃圾回收被執(zhí)行。

關(guān)于CLR內(nèi)存管理一些深層次的討論[上篇]

關(guān)于CLR內(nèi)存管理一些深層次的討論[下篇]

到此這篇關(guān)于C#內(nèi)存管理CLR深入講解(下篇)的文章就介紹到這了。希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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