ASP.Net Core中的内存和GC机制

托管代码

在 .NET 中， CLR(Common Language Runtime) 负责提取托管代码并编译成机器语言，然后执行它。在此过程中，CLR 提供自动内存管理、安全边界、类型安全等服务，保证了代码安全。

托管代码指在其执行过程中由 CLR(Common Language Runtime) 管理的代码，托管代码是可在 .NET 上运行得一种高级语言(C#、F#等)，编写的托管代码被编译后会被生成 中间语言(IL)。

CLR 有 .NET Core/.NET5+、Mono、.NET Framework 等实现，托管代码生成的文件(IL代码)不能被操作系统直接运行，需要 CLR 的实现(如 .NET5) 托管运行，托管过程中对其再次编译生成二进制代码(JIT编译)。

中间语言(IL)有时也称为公共中间语言 (CIL) 或 Microsoft 中间语言 (MSIL)。

自动内存管理

自动内存管理是 CLR 的功能之一，它可以为应用程序管理内存的分配和释放，托管代码被执行时，由 CLR 进行内存管理，保证了内存安全。

垃圾回收

GC

GC(garbage collector)中文译为垃圾回收器，.NET 中的 GC 指的是 CLR 中的自动内存管理器，GC 负责管理 .NET 程序的内存分配和释放。

GC 的优点如下：

• 自动管理内存，不必手动分配和释放；
• 高效管理托管堆上的对象；
• 智能回收对象，清除内存；
• 内存安全：避免野指针、悬空指针等情况造成严重错误；

内存

物理内存

物理内存是物理内存条上的内存空间，是物理机器真实的容量大小。

虚拟内存

虚拟内存(Virtual Memory)是计算机操作系统进行内存管理的一种技术，它可以将多个硬件、非连续地址的碎片空间组合起来，形成进程上可识别的连续内存空间。

虚拟内存由操作系统进行支持，如 Windows 上的虚拟内存，Linux 上的交互空间，虚拟内存需要操作系统映射到真实的内存地址空间才能使用。虚拟内存调度方式有分页式、段式、段页式3种，读者感兴趣可自行查阅资料。

现代操作系统都采用了虚拟内存管理技术，通过对物理存储设备的抽象，操作系统调度外存当作内存使用，提供了比物理内存更大的内存范围。

这些存储设备组成的内存称为虚拟地址空间，而用户（开发者）接触到的地址是虚地址，并不是真实的物理地址。虚拟空间大大拓展了内存，使得系统可以同时运行多道程序而不“吃力”。

虚拟地址空间分为两部分：用户空间、内核空间，每个程序运行时的会消耗两种空间。在 Linux 中比例是 3：1，在 Windows 中是 2：2。

.NET 内存组成

.NET 中，内存分为非托管内存、托管内存。

.NET Core/.NET5+ 有一个称为 dotnet 的驱动程序，此驱动程序用于执行命令或运行 .NET 程序。当我们使用 dotnet 命令运行一个 .dll 文件时，操作系统会启动 dotnet 驱动程序，此时会分配操作系统内存资源、dotnet 驱动程序内存资源，这一部分即非托管资源，其中 dotnet 部分的内存包含了 CLR 等部件的内存。即使你并没有使用到 C/C++ 等非托管代码或者使用非托管资源，也会使用到非托管内存。

接下来 CLR 将初始化新进程，CLR 将为其分配托管内存(托管堆)，这段托管内存是一个连续的地址空间区域。.NET 安全代码只能使用托管内存，不能直接使用物理内存，垃圾收集器会为安全代码在托管堆上分配和释放虚拟内存。

显然， dotnet 的工作原理十分复杂，笔者没有能力讲清楚，感兴趣的读者可以自行查阅资料。

CLR 中的内存

微软 .NET CLR 文档中写道：By default, on 32-bit computers, each process has a 2-GB user-mode virtual address space.

即在 32 位系统中，.NET 进程会使用 2GB 的用户模式虚拟内存，其虚拟地址空间的表示范围是 0x00000000 到 0x7fff；而 64 位系统中，地址范围是 0x000'00000000 到0x7FFF'FFFFFFFF，约等于 16TB。

从以上信息，我们知道 .NET 程序会消耗比较多的虚拟内存，如果在 64 位操作系统上运行 .NET 程序，其用户模式虚拟地址空间可能远远大于 2GB。

编写一个 "c1" 程序，其代码如下：

        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("Hello World!");
            Console.Read();
        }

在 Linux 中使用 dotnet xx.dll 命令运行程序，然后查看其占用的资源：

 VIRT    RES    SHR S  %CPU  %MEM     TIME+ COMMAND
  3.1g   0.0g   0.0g S   0.3   0.3   0:00.83 dotnet

使用 dotnet-counters 查看 dotnet 进程：

    GC Heap Size (MB)                                              0
    Gen 0 GC Count (Count / 1 sec)                                 0
    Gen 0 Size (B)                                                 0
    Gen 1 GC Count (Count / 1 sec)                                 0
    Gen 1 Size (B)                                                 0
    Gen 2 GC Count (Count / 1 sec)                                 0
    Gen 2 Size (B)                                                 0
    LOH Size (B)                                                   0

注：使用 dotnet run 运行 .NET 项目，会出现 dotnet、c1 两个进程，可以看到会产生 dotnet 和 c1 两个进程，dotnet 是驱动程序，dotnet 启动后，CLR 会将. dll 程序集编译，并初始化启动一个进程。

CLR 中的虚拟地址空间需要位于一个地址块中，因为在请求虚拟内存分配时，虚拟内存管理器必须找到满足需求的单个可用块，例如就算存在大于 2GB 的虚拟地址空间，但如果不是连续的，则会分配失败。如果没有足够的可供保留的虚拟地址空间或可供提交的物理空间，则可能会用尽内存。

CLR 虚拟内存状态

CLR 中的虚拟内存可以有三种状态:

内存分配

CLR 在初始化新进程时，会为进程保留一个连续的地址空间区域，这个地址空间被称为托管堆。托管堆中维护着一个指针，最初此指针指向托管堆的基址，这个指针是向后移动的。当需要分配内存时，CLR 便会分配位于此指针后的内存区域，同时指针指向此对象地址空间之后的位置。

由于 CLR 通过向指针添加值来为对象分配内存，所以它的分配速度几乎跟从堆栈中分配内存速度一样快；而且连续分配的新对象连续存储在托管堆中，程序可以快速地访问这些对象。

当 GC 回收内存时，一些对象释放后内存会被回收，这样托管堆地内存处于碎片化，之后整个内存段会被压缩，重新组成连连续的内存段，指针会被重置到对象的末尾。

当然，大对象堆(LOH)回收并不会压缩内存段，这一点我们后面再讨论。

内存释放

垃圾回收的条件

根据微软官方文档，整理的垃圾回收条件如下：

• 系统物理内存不足；
• 托管堆分配的内存已超出可接受阈值；(当然，这个阈值会被动态调整)
• 手动调用 GC 类的 API(例如 GC.Collect)；

托管堆

本机堆(Native Heap)

前面提到过，.NET 的内存有非托管内存和托管内存。CLR 运行的进程，存在本机堆和托管堆两种内存堆，本机内存堆通过 Windows API 的 VirtualAlloc 函数分配，提供给 操作系统和 CLR 使用，用于非托管代码所需的内存。

托管堆(Managed Heap)

关于托管堆，前面已经写了，这里不再赘述。

托管堆代数

托管堆中的内存被分为三代，分别使用0、1、2 标识，GC 分配的内存首先在 0 代托管堆中，当进行垃圾回收时，如果对象没有被释放，则将其升级并存储到 1 代托管堆中。1 代托管堆进行内存回收时，不被释放的对象也会被升级到 2 代内存中，然后 1 代内存堆进行空间压缩。

托管堆的管理是 GC 负责的，而 GC 进行内存分配和释放，使用了 GC 算法。

GC 算法基于以下理论：

• ① 压缩托管堆的一部分内存要比压缩整个托管堆速度快；
• ② 较新的对象生命周期较短，较旧的对象生命周期较长；
• ③ 较新的对象趋向于相互关联，并且大约在同一时间被应用程序访问；

我们必须深刻理解这些理论，才能深入理解托管堆的设计。

关于 0 到 2 代堆，其基本说明如下：

• 0 代：0 代中的对象拥有短暂的生命周期，垃圾回收最常发生在此代中；
• 1 代：作为生命周期较短和生命周期较长对象的缓冲区。
• 2 代：存储生命周期长的对象；0、1 代没被回收而升级的对象会升级到 2 代中，静态数据等则会一开始就分配到 2代。

在 .NET 5 之前，.NET 有 SOH(小对象堆)、LOH(大对象堆)；在 .NET 5 中，出现了 POH ；

小对象堆的内存段有 0、1、2 代堆；

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持我们。