CLR GC垃圾收集过程模拟
2016-07-28 13:25
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CLR GC垃圾收集过程模拟（用C#来显示垃圾收集过程的视觉效果）
......
JasenKin
废话不多说了，本人是搞Web方向的，C/S不太熟悉，先看界面图（比较粗糙），这里仅仅是从一个视觉的效果来初步显示GC相对应的操作（简单的效果显示，并不是真正的GC内幕，那个我也不懂）
基本概念
对象的生成过程（newobj指令）
1：计算类型（包括基类）所有字段的字节总数
2: 字节总数再加上对象开销字段字节数（相加为：对象所需的字节数）。每个对象包含2个开销字段：类型对象指针以及同步块索引。WIN32中，各占32位，WIN64中，各占64位。
3：CLR检测托管堆中是否有足够的空间满足对象所需的字节数。如果满足，对象将被分配在NextObjPtr指针指示的地方，实例构造器被调用，（new操作）返回对象的内存地址。指针NextObjPtr越过对象所在的区域，指示下一个新建对象在托管堆中的地址。如果不满足，进行垃圾收集。
根
每一个应用程序都有一组根Root。一个根是一个存储地址，包含一个指向类型对象的指针。
该指针有2种形式：（1）指向托管堆中的一个对象。（2）设为null。
根包括静态字段，方法参数，局部变量，CPU寄存器。
对象的代
托管堆中，对象的代大概为0代，1代，2代，相应的内存容量为256K，2M，10M。当然，垃圾收集器也会自动调整预算容量。
终结操作和释放模式
终结操作（Finalize（）方法）可以确保托管对象在释放内存的同时不会泄露本地资源，但是不能确定它在何时被调用。
释放模式（Dispose()方法）：当对象不再被使用的时候显示的释放掉它所占有的资源。
（更多控制）注：可以用来控制在对象生命周期内资源的重复利用，例如connection资源不一定每次操作都要关闭。
下序的代码显示了GC.Collect()方法将使Finalize（）方法被调用：
public static class Program
{
static void Main(string[] args)
{
new GCNotice();
Timer timer = new Timer(TimerCallBack,null,0,2000);
Console.ReadLine();
timer.Dispose();
}
private static void TimerCallBack(object obj)
{
Console.WriteLine("GC START Time:"+DateTime.Now.ToString());
GC.Collect();
Console.WriteLine("GC END Time:" + DateTime.Now.ToString());
}
}
sealed class GCNotice
{
~GCNotice(){
Console.Beep();
Console.WriteLine("*********GCNotice FINALIZE():"+DateTime.Now.ToString());
if(!AppDomain.CurrentDomain.IsFinalizingForUnload())
{
new GCNotice();
}
}
}
~GCNotice(){
} 析构函数（C++）就是我们所说的终结操作（与C++不同），也就是Finalize()方法。在下列事件中将触发：
（1）：第0代对象充满时（垃圾收集）。
（2）：代码显示调用System.GC.Collect()。
（3）：Windoms报告内存不足。
（4）：CLR卸载应用程序域。
（5）：CLR关闭。
一般情况下，如果一个类型中本地资源需求比较大，建议使用HandleCollector来促进GC.Collect()执行（释放资源）。
代码
public HandleCollector(string name, int initialThreshold); //组合到类型中，实例化
public void Add();//构造函数中运用
public void Remove();//析构函数中运用
终结链表与终结可达队列
创建一个新对象时，如果对象的类型定义了Finalize()方法，那么指向该对象的指针将被放到终结链表中。终结链表上的每一个条目都引用着一个对象，指示GC在回收这些对象之前调用它们的Finalize()方法。
主要过程如下
好了，概念的东西不再介绍了，本人思路如下：
（一）准备工作：创建一个DataObject类型（模拟一个对象实体），DataObjects（对象集合），DataObjectManager（对象集合管理）。
（二）初始化一个属性值为随机值的 DataObject对象
（三）判断托管堆0代内存是否充足，如果满足则分配对象内存（模拟）（如果有终结方法，则添加引用到终结链表中）。如果不满足，进行垃圾收集。
（四）垃圾收集操作：细分为0，1，2代的比较判断与操作
（五）收集后内容的显示，调用面板panel的refresh()方法。
（六）随机修改原对象集合中的对象的值 HasRoot为false（后来添加的），标识无根。
(一) 准备工作
先自创建一个类，主要是以该对象来作为操作的。
public class DataObject : Jasen.GCShow.IDataObject
{
public Boolean HasFinalizeMethod { get; set; }
public Boolean HasRoot { get; set; }
public Int32 Number { get ;set; }
public System.Drawing.Color Color { get;set; }
public String OXString{
get{
//return (HasRoot ? "R" : "0") + (HasFinalizeMethod ? "F" : "");
return (HasFinalizeMethod ? "[F]" : "[!F]");
}
}
public String Name { get; set; }
public String NiceName { get; set; }
public Int32 Generation { get; set; }
}
然后就是该类对象集合，实现遍历以及索引：
其次就是该对象集合的管理类，负责所有对象的ItemCollection,以及0，1，2代对象集合，以及终结链表，终结可达队列
1 public class DataObjectManager : Jasen.GCShow.IDataObjectManager
2 {
3 DataObjects items = new DataObjects();
4 Queue<DataObject> freachableQueue = new Queue<DataObject>();
5 DataObjects finalizeTable = new DataObjects();
6
7 public DataObjects ItemsCollection
8 {
9 get { return items; }
10 set { items = value; }
11 }
12 public DataObjects ZeroGenerationCollection
13 {
14 get { return GetCollection(0); }
15 }
16
17 public DataObjects GetCollection(int generation)
18 {
19 if (ItemsCollection.Count() == 0) return null;
20 DataObjects generationObjects = new DataObjects();
21 foreach(DataObject obj in ItemsCollection){
22 if(obj.Generation==generation){
23 generationObjects.Add(obj);
24 }
25 }
26 return generationObjects;
27 }
28 public DataObjects OneGenerationCollection
29 {
30 get { return GetCollection(1); }
31 }
32 public DataObjects TwoGenerationCollection
33 {
34 get { return GetCollection(2); }
35 }
36 public DataObjects FinalizeTable
37 {
38 get { return finalizeTable; }
39 set { finalizeTable = value; }
40 }
41 public Queue<DataObject> FreachableQueue
42 {
43 get { return freachableQueue; }
44 set { freachableQueue = value; }
45 }
46 }
（二）初始化一个属性值为随机值的 DataObject对象
通过随机设置类的值来实例化一个对象
DataObject item = new DataObject()
{
HasFinalizeMethod = Randoms.GetRandomBoolen(0.3),
HasRoot = Randoms.GetRandomBoolen(0.6),
Color = Randoms.GetRandomColor(),
Number = Randoms.RandomNum(1, 3),
Name = Guid.NewGuid().ToString(),
NiceName = Randoms.AddNum().ToString(),
Generation = 0 // 默认为0代
};
以上的值大部分是随机的，不确定的，比如下面的方法----->返回随机比例为rate（比如0.3）的true值，它等价于有30%的概率返回true,70%概率返回false，
/// <summary>
/// 返回随机比例为rate的 true值
/// </summary>
/// <param name="rate"></param>
/// <returns></returns>
public static Boolean GetRandomBoolen(double rate) {
if (rate < 0 || rate > 1) throw new ArgumentOutOfRangeException("rate must be between 0 to 1");
Random random = new Random((int)DateTime.Now.Ticks);
System.Threading.Thread.Sleep(100);
if(random.Next(0,10000)>=10000*(1-rate)){
return true;
}
return false;
}
随机颜色如下
public static Color GetRandomColor()
{
Random randomFirst = new Random((int)DateTime.Now.Ticks);
System.Threading.Thread.Sleep(300);
Random randomSencond = new Random((int)DateTime.Now.Ticks);
System.Threading.Thread.Sleep(300);
Random randomThird = new Random((int)DateTime.Now.Ticks);
int intRed = randomFirst.Next(256);
int intGreen = randomSencond.Next(256);
int intBlue = randomThird.Next(256);
return Color.FromArgb(intRed, intGreen, intBlue);
}
（三）判断托管堆0代内存是否充足
判断的大概过程如下：
#region newobject指令过程
private Int32 CHARTOTALNUMBER = 0;
private void NewObjectOperationProcess(DataObject item){
//计算类型所有字段的字节总数
CHARTOTALNUMBER = CountTypeCharTotalNumber(item);
//计算2个开销字段：类型对象指针，同步块索引 WIN32--32位×2=64位=8字节
CountObjectExtraCharNumber();
//判断0代对象内存（256K）是否含有所需的字节数 （长度）
Boolean isEnough= CheckZeroGenerationHasEnoughChars();
//计算新建对象在托管堆中的地址 （长度）
if (isEnough)
{
RefreshZeroGenenrationAndFinalizeTable(item);
}
else {
//回收垃圾
GCCollect(item);
}
}
如果托管堆0代内存充足，那么显示如下：
上面显示的是对象含有根，没有终结方法。我们来看一张含有终结方法的图，含有终结方法的对象会被添加引用到终结链表中，如下：
（四）垃圾收集操作：细分为0，1，2代的比较判断与操作
（1）处理托管堆0代对象的主要操作如下：
private void GCSystemOperation()
{
ClearFreachableQueue();
DataObjects temps = new DataObjects();
//清理没根的没终结方法的0代对象 0代对象 +1 （清除）
DataObjects list = manager.ZeroGenerationCollection;
if (list == null) return;
foreach (DataObject obj in list)
{
//如果对象没有根 并且没有终结方法
if (obj.HasRoot == false && obj.HasFinalizeMethod == false){
manager.ItemsCollection.Remove(obj);
}
else
{
temps.Add(obj);
//obj.Generation++;
}
}
if(temps.Count()>0){
int tempsLength=CountSize(temps);
int oneGenerationCurrentLength = CountSize(manager.OneGenerationCollection);
Boolean isOneGenerationEnough = (SystemConst.OneGenerationLength-oneGenerationCurrentLength > tempsLength)?true:false;
if (isOneGenerationEnough)
{
GenerationAddOne(temps);
}
else {
//处理托管堆1代对象
MessageBox.Show("处理托管堆1代对象！");
HandleOneGeneration(temps);
}
}
}
当一直添加对象时，达到如下情况：
我们不知道下一个对象的内存大小，很有下一次就会可能发生垃圾收集。如下图所示，当托管堆0代对象内存容量不足时，会触发垃圾收集：
其中先清理可达队列中的数据对象，（含有Finalize()终结方法并且无根，一般情况为在第1次收集时将终结链表中的指针移动至终结可达队列中，这样可达队列中才有指针。第2次收集就会将可达队列中的指针清理）
执行下列代码：
1 private void ClearFreachableQueue()
2 {
3 //清理终结可达队列中的对象 没根 有终结方法 （清除） 一般为清理上次收集数据
4 while (manager.FreachableQueue.Count > 0){
5 DataObject obj = manager.FreachableQueue.Dequeue();
6 manager.ItemsCollection.Remove(obj);
7 }
8 MessageBox.Show("清理可达队列对象");
9 //终结链表中的数据 --》可达队列
10 foreach (DataObject item in manager.FinalizeTable){
11 if (item.HasRoot == false){
12 manager.FreachableQueue.Enqueue(item);
13 }
14 }
15 MessageBox.Show("将终结链表中的可达对象移动至可达队列");
16 foreach (DataObject obj in manager.FreachableQueue){
17 manager.FinalizeTable.Remove(obj);
18 }
19 MessageBox.Show("移除终结链表中包含的可达队列对象");
20 }
显然，将终结链表的数据移动到可达队列后，然后再移除终结链表包含的可达队列的指针，操作后如下：
（2）处理托管堆1代对象的主要操作如下：
private void HandleOneGeneration(DataObjects temps)
{
DataObjects currentTempObjects = new DataObjects();
foreach(DataObject obj in manager.OneGenerationCollection){
if (obj.HasRoot == false && obj.HasFinalizeMethod == false){
manager.ItemsCollection.Remove(obj);
}
else {
currentTempObjects.Add(obj);
}
}
if (currentTempObjects.Count() > 0)
{
Boolean enough = CheckTwoGenerationEnough(currentTempObjects);
if (enough)
{
MessageBox.Show("托管堆2代内存充足----》托管堆1代对象 对象代+1");
GenerationAddOne(currentTempObjects);
}
else {
MessageBox.Show("托管堆2代内存不足----》处理");
HandleTwoGeneration(currentTempObjects);
}
}
MessageBox.Show("托管堆0代对象 对象代+1");
GenerationAddOne(temps);
}
继续创建新的对象：
发现越来越多的对象在托管堆1代中存在。
一直增加，当托管堆0代对象内存不足，并且托管堆1代对象内存也不足时候，将导致1代对象的代+1；其中也包括1代对象的清理工作，移除无根的对象。
（3）处理托管堆2代对象的主要操作如下：
1 private void HandleTwoGeneration(DataObjects currentTempObjects)
2 {
3 Boolean enough = CheckTwoGenerationEnough(currentTempObjects);
4 if (enough){
5 GenerationAddOne(currentTempObjects);
6 }
7 else {
8 MessageBox.Show("托管堆2代对象内存满了，清理托管堆2代无根对象");
9 ClearGenerationUnusefulObject(manager.TwoGenerationCollection);
10 if (CheckGenerationEnough(currentTempObjects, manager.TwoGenerationCollection, SystemConst.TwoGenerationLength)){
11 MessageBox.Show("托管堆1代对象 对象代+1");
12 GenerationAddOne(currentTempObjects);
13 }
14 else{
15 ClearToEmpty(); //托管堆对象全部清理
16 }
17 }
18 }
（五）垃圾收集后内容的显示，调用面板panel的refresh()方法。
例如托管堆0代的面板刷新
private void panelZeroGenenration_Paint(object sender, PaintEventArgs e)
{
if (manager.ItemsCollection.Count() == 0) { return; }
DataObjects list = manager.ZeroGenerationCollection;
if(list==null)return;
Graphics graphics = e.Graphics;
FillRectangle(graphics, list, true,true );
}
相应的面板绘制如下，采用累加来计算绘制的坐标（left）
1 private void FillRectangle(Graphics graphic, DataObjects list,Boolean markArrows,Boolean markOX)
2 {
3 float left = 0,width = 0,top = 0,height = 20,rams=-15;
4 for (int i = 0; i < list.Count(); i++){
5 int sum = 0;
6 if (i != 0) {
7 for (int z = 0; z < i; z++){
8 sum += list[z].Number;//i-1次
9 }
10 }
11 left = sum * SystemConst.GraphicLength;
12 width = SystemConst.GraphicLength * list[i].Number;
13 graphic.FillRectangle(new SolidBrush(list[i].Color), left, top, width, height);
14 graphic.FillRectangle(new SolidBrush(Color.Red), left, top, 2, height);
15 graphic.DrawString(("[" + list[i].NiceName + "]" + (list[i].HasRoot ? "R" : "")), smallFont, new SolidBrush(Color.Red), left, top);
16 if(markOX){
17 graphic.DrawString(list[i].OXString, smallFont, new SolidBrush(Color.Red), left, top + 40);
18 }
19 }
20 if(markArrows){
21 graphic.DrawString("↑", bigFont, new SolidBrush(Color.Red), left + width+rams, top + 20);
22 }
23 }
（六）随机修改原对象集合中的对象的值 HasRoot为false（后来添加的），标识无根。
1 /// <summary>
2 /// 随机修改对象的根为 false
3 /// </summary>
4 private void RandomChangeItemsRootValue()
5 {
6 DataObjects list = manager.ItemsCollection;
7 if (list == null) return;
8 foreach (DataObject item in list){
9 if (item.HasRoot == true){
10 item.HasRoot = Randoms.GetRandomBoolen(0.9);
11 }
12 }
13 }
最后显示如下（托管堆0代对象+1，1代对象+1）：
同时我们应该注意到：在第6步中的方法随机的修改了集合中对象的HasRoot属性，再看下下一张图：
将上面图对照，发现用紫色框标识的 [36]R [39]R转变成了[36] [39],从这里发现从 有根 ---->无根 转变了。这和GC中无根对象才会被回收是一个道理。
当托管堆对象2代满了时会自动清理0，1，2代的垃圾。有一个特殊情况，当1代中对象代+1后，转变为2代，与原来2代的对象总共的内存超过了容量，就有可能使应用程序中断。（不过本人这里也不太清楚，本人将所有的对象之空，设置为null）
最后一点：本来想用Timer来定时触发对象的生成操作，代码如下：
1 private void btnAutoAdd_Click(object sender, EventArgs e)
2 {
3 timer = new System.Timers.Timer(3000);
4 timer.Elapsed += new System.Timers.ElapsedEventHandler(timer_Tick);
5 timer.AutoReset = true;
6 timer.Enabled = true;
7 btnAutoAdd.Enabled = false;
8 btnAutoStop.Enabled = true;
9 }
10 public void timer_Tick(object sender, ElapsedEventArgs e) {
11 NewOneObjectOperation();
12 }
13 private void btnAutoStop_Click(object sender, EventArgs e)
14 {
15 timer.Stop();
16 btnAutoAdd.Enabled = true;
17 btnAutoStop.Enabled = false;
18 }
但是对于Panel的refresh（）操作也是线程的，这样的话将触发异常：
本示例的目的是用一种视觉的效果来看我们.NET平台下的垃圾收集过程，本人水平有限，难免有N多BUG以及不太清楚的地方，还请各位多多指教。
本GC初步模拟程序代码下载地址：Jasen.GCShow.rar
[GC初步模拟效果程序 ]
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