托管代碼

在 .NET 中， CLR(Common Language Runtime) 負(fù)責(zé)提取托管代碼并編譯成機(jī)器語言，然后執(zhí)行它。在此過程中，CLR 提供自動內(nèi)存管理、安全邊界、類型安全等服務(wù)，保證了代碼安全。

托管代碼指在其執(zhí)行過程中由 CLR(Common Language Runtime) 管理的代碼，托管代碼是可在 .NET 上運行得一種高級語言(C#、F#等)，編寫的托管代碼被編譯后會被生成 中間語言(IL)。

CLR 有 .NET Core/.NET5+、Mono、.NET Framework 等實現(xiàn)，托管代碼生成的文件(IL代碼)不能被操作系統(tǒng)直接運行，需要 CLR 的實現(xiàn)(如 .NET5) 托管運行，托管過程中對其再次編譯生成二進(jìn)制代碼(JIT編譯)。

中間語言(IL)有時也稱為公共中間語言 (CIL) 或 Microsoft 中間語言 (MSIL)。

自動內(nèi)存管理

自動內(nèi)存管理是 CLR 的功能之一，它可以為應(yīng)用程序管理內(nèi)存的分配和釋放，托管代碼被執(zhí)行時，由 CLR 進(jìn)行內(nèi)存管理，保證了內(nèi)存安全。

垃圾回收

GC

GC(garbage collector)中文譯為垃圾回收器，.NET 中的 GC 指的是 CLR 中的自動內(nèi)存管理器，GC 負(fù)責(zé)管理 .NET 程序的內(nèi)存分配和釋放。

GC 的優(yōu)點如下：

• 自動管理內(nèi)存，不必手動分配和釋放；

• 高效管理托管堆上的對象；

• 智能回收對象，清除內(nèi)存；

• 內(nèi)存安全：避免野指針、懸空指針等情況造成嚴(yán)重錯誤；

內(nèi)存

物理內(nèi)存

物理內(nèi)存是物理內(nèi)存條上的內(nèi)存空間，是物理機(jī)器真實的容量大小。

虛擬內(nèi)存

虛擬內(nèi)存(Virtual Memory)是計算機(jī)操作系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)存管理的一種技術(shù)，它可以將多個硬件、非連續(xù)地址的碎片空間組合起來，形成進(jìn)程上可識別的連續(xù)內(nèi)存空間。

虛擬內(nèi)存由操作系統(tǒng)進(jìn)行支持，如 Windows 上的虛擬內(nèi)存，Linux 上的交互空間，虛擬內(nèi)存需要操作系統(tǒng)映射到真實的內(nèi)存地址空間才能使用。虛擬內(nèi)存調(diào)度方式有分頁式、段式、段頁式3種，讀者感興趣可自行查閱資料。

現(xiàn)代操作系統(tǒng)都采用了虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，通過對物理存儲設(shè)備的抽象，操作系統(tǒng)調(diào)度外存當(dāng)作內(nèi)存使用，提供了比物理內(nèi)存更大的內(nèi)存范圍。

這些存儲設(shè)備組成的內(nèi)存稱為虛擬地址空間，而用戶（開發(fā)者）接觸到的地址是虛地址，并不是真實的物理地址。虛擬空間大大拓展了內(nèi)存，使得系統(tǒng)可以同時運行多道程序而不“吃力”。

虛擬地址空間分為兩部分：用戶空間、內(nèi)核空間，每個程序運行時的會消耗兩種空間。在 Linux 中比例是 3：1，在 Windows 中是 2：2。

.NET 內(nèi)存組成

.NET 中，內(nèi)存分為非托管內(nèi)存、托管內(nèi)存。

.NET Core/.NET5+ 有一個稱為 dotnet 的驅(qū)動程序，此驅(qū)動程序用于執(zhí)行命令或運行 .NET 程序。當(dāng)我們使用 dotnet 命令運行一個 .dll 文件時，操作系統(tǒng)會啟動 dotnet 驅(qū)動程序，此時會分配操作系統(tǒng)內(nèi)存資源、dotnet 驅(qū)動程序內(nèi)存資源，這一部分即非托管資源，其中 dotnet 部分的內(nèi)存包含了 CLR 等部件的內(nèi)存。即使你并沒有使用到 C/C++ 等非托管代碼或者使用非托管資源，也會使用到非托管內(nèi)存。

接下來 CLR 將初始化新進(jìn)程，CLR 將為其分配托管內(nèi)存(托管堆)，這段托管內(nèi)存是一個連續(xù)的地址空間區(qū)域。.NET 安全代碼只能使用托管內(nèi)存，不能直接使用物理內(nèi)存，垃圾收集器會為安全代碼在托管堆上分配和釋放虛擬內(nèi)存。

顯然， dotnet 的工作原理十分復(fù)雜，筆者沒有能力講清楚，感興趣的讀者可以自行查閱資料。

CLR 中的內(nèi)存

微軟 .NET CLR 文檔中寫道：By default, on 32-bit computers, each process has a 2-GB user-mode virtual address space.

即在 32 位系統(tǒng)中，.NET 進(jìn)程會使用 2GB 的用戶模式虛擬內(nèi)存，其虛擬地址空間的表示范圍是 0x00000000 到 0x7fff；而 64 位系統(tǒng)中，地址范圍是 0x000'00000000 到0x7FFF'FFFFFFFF，約等于 16TB。

從以上信息，我們知道 .NET 程序會消耗比較多的虛擬內(nèi)存，如果在 64 位操作系統(tǒng)上運行 .NET 程序，其用戶模式虛擬地址空間可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 2GB。

編寫一個 "c1" 程序，其代碼如下：

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

在 Linux 中使用 dotnet xx.dll 命令運行程序，然后查看其占用的資源：

 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 進(jìn)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 運行 .NET 項目，會出現(xiàn) dotnet、c1 兩個進(jìn)程，可以看到會產(chǎn)生 dotnet 和 c1 兩個進(jìn)程，dotnet 是驅(qū)動程序，dotnet 啟動后，CLR 會將. dll 程序集編譯，并初始化啟動一個進(jìn)程。

CLR 中的虛擬地址空間需要位于一個地址塊中，因為在請求虛擬內(nèi)存分配時，虛擬內(nèi)存管理器必須找到滿足需求的單個可用塊，例如就算存在大于 2GB 的虛擬地址空間，但如果不是連續(xù)的，則會分配失敗。如果沒有足夠的可供保留的虛擬地址空間或可供提交的物理空間，則可能會用盡內(nèi)存。

CLR 虛擬內(nèi)存狀態(tài)

CLR 中的虛擬內(nèi)存可以有三種狀態(tài):

內(nèi)存分配

CLR 在初始化新進(jìn)程時，會為進(jìn)程保留一個連續(xù)的地址空間區(qū)域，這個地址空間被稱為托管堆。托管堆中維護(hù)著一個指針，最初此指針指向托管堆的基址，這個指針是向后移動的。當(dāng)需要分配內(nèi)存時，CLR 便會分配位于此指針后的內(nèi)存區(qū)域，同時指針指向此對象地址空間之后的位置。

由于 CLR 通過向指針添加值來為對象分配內(nèi)存，所以它的分配速度幾乎跟從堆棧中分配內(nèi)存速度一樣快；而且連續(xù)分配的新對象連續(xù)存儲在托管堆中，程序可以快速地訪問這些對象。

當(dāng) GC 回收內(nèi)存時，一些對象釋放后內(nèi)存會被回收，這樣托管堆地內(nèi)存處于碎片化，之后整個內(nèi)存段會被壓縮，重新組成連連續(xù)的內(nèi)存段，指針會被重置到對象的末尾。

當(dāng)然，大對象堆(LOH)回收并不會壓縮內(nèi)存段，這一點我們后面再討論。

內(nèi)存釋放

垃圾回收的條件

根據(jù)微軟官方文檔，整理的垃圾回收條件如下：

• 系統(tǒng)物理內(nèi)存不足；
• 托管堆分配的內(nèi)存已超出可接受閾值；(當(dāng)然，這個閾值會被動態(tài)調(diào)整)
• 手動調(diào)用 GC 類的 API(例如 GC.Collect)；

托管堆

本機(jī)堆(Native Heap)

前面提到過，.NET 的內(nèi)存有非托管內(nèi)存和托管內(nèi)存。CLR 運行的進(jìn)程，存在本機(jī)堆和托管堆兩種內(nèi)存堆，本機(jī)內(nèi)存堆通過 Windows API 的 VirtualAlloc 函數(shù)分配，提供給 操作系統(tǒng)和 CLR 使用，用于非托管代碼所需的內(nèi)存。

托管堆(Managed Heap)

關(guān)于托管堆，前面已經(jīng)寫了，這里不再贅述。

托管堆代數(shù)

托管堆中的內(nèi)存被分為三代，分別使用0、1、2 標(biāo)識，GC 分配的內(nèi)存首先在 0 代托管堆中，當(dāng)進(jìn)行垃圾回收時，如果對象沒有被釋放，則將其升級并存儲到 1 代托管堆中。1 代托管堆進(jìn)行內(nèi)存回收時，不被釋放的對象也會被升級到 2 代內(nèi)存中，然后 1 代內(nèi)存堆進(jìn)行空間壓縮。

托管堆的管理是 GC 負(fù)責(zé)的，而 GC 進(jìn)行內(nèi)存分配和釋放，使用了 GC 算法。

GC 算法基于以下理論：

• ① 壓縮托管堆的一部分內(nèi)存要比壓縮整個托管堆速度快；
• ② 較新的對象生命周期較短，較舊的對象生命周期較長；
• ③ 較新的對象趨向于相互關(guān)聯(lián)，并且大約在同一時間被應(yīng)用程序訪問；

我們必須深刻理解這些理論，才能深入理解托管堆的設(shè)計。

關(guān)于 0 到 2 代堆，其基本說明如下：

• 0 代：0 代中的對象擁有短暫的生命周期，垃圾回收最常發(fā)生在此代中；
• 1 代：作為生命周期較短和生命周期較長對象的緩沖區(qū)。
• 2 代：存儲生命周期長的對象；0、1 代沒被回收而升級的對象會升級到 2 代中，靜態(tài)數(shù)據(jù)等則會一開始就分配到 2代。

在 .NET 5 之前，.NET 有 SOH(小對象堆)、LOH(大對象堆)；在 .NET 5 中，出現(xiàn)了 POH ；

小對象堆的內(nèi)存段有 0、1、2 代堆；

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