浅入 .NET Core 中的内存和GC知识

2021年1月10日 2933点热度 0人点赞 0条评论

内容目录

- [托管代码](#托管代码)
- [自动内存管理](#自动内存管理)

垃圾回收

参考资料：

【1】https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/managed-code

【2】:https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/clr

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:

State	Description
Free 可用	The block of memory has no references to it and is available for allocation. 内存块没有对它的引用，可以进行分配
Reserved保留	The block of memory is available for your use and cannot be used for any other allocation request. 该内存块可供您使用，不能用于任何其他分配请求 However, you cannot store data to this memory block until it is committed. 但是，在提交数据之前，不能将数据存储到此内存块中
Committed已提交	The block of memory is assigned to physical storage. 内存块已指派给物理存储