1 .NET 内存管理机制——垃圾回收（GC）原理

.NET 环境下的内存管理依赖于垃圾回收机制，也称为垃圾收集器（Garbage Collector）。垃圾回收机制的核心思想是：对于不再引用的对象，交由垃圾回收器来管理、清理，从而释放内存，使其可以被回收。而对于仍在使用的对象，则保持内存实体，供应用程序使用。

1.1 C# 中的垃圾回收

垃圾回收机制主要体现在如下两个方面：

• 分配新空间
• 释放不再使用的空间

这两个过程都由垃圾回收器来完成，而不论程序员是否知道。垃圾回收器在必要的时候自行检查系统中内存的使用情况，只有当系统内存不足时，垃圾回收器才开始释放不再使用的内存，从而解决了内存泄漏的问题。

1.2 垃圾回收的基本原理

.NET 中的垃圾回收器采用代（Generation）的机制进行垃圾回收，它把对象分级为 3 代：0 代、1 代、2 代。每次 GC 回收时，都会收集当前所有代中的对象。

• 0 代：存放最近分配的对象
• 1 代：存放从第一次 GC 后，再次分配的对象
• 2 代：存放从第二次 GC 后，再次分配的对象

根据分代的策略，每隔一定时间（默认为 1 秒钟）时，就会对一代中不再使用的对象进行回收。垃圾回收流程如下：

1. GC 开始对 0 代对象进行垃圾回收，且只回收与其他对象没有任何引用关系的对象。
2. 将仍然存在于 0 代中的对象，移到 1 代中。
3. GC 开始对 1 代对象进行垃圾回收，同样只回收与其他对象没有任何引用关系的对象。
4. 将仍然存在于 1 代中的对象，移到 2 代中。
5. GC 开始对 2 代对象进行垃圾回收，回收对象的范围是全部。
6. 释放全部不用的内存，完成 GC。

2 .NET 内存管理机制——内存分配与对象池

.NET 中的垃圾回收机制，实际上只是内存管理的一部分。另一部分则是内存分配。在 .NET 中，内存分配是通过内存池来管理的，这个内存池叫做 “托管堆”（Managed Heap）。

2.1 托管堆

托管堆能够在动态存储时分配内存，随着应用程序对内存的使用而动态变化。托管堆是一个虚拟的内存块，被定义为一段虚拟地址空间。应用程序没有直接访问到该内存块的权限，只能通过运行时来分配和释放内存。

托管堆实际是一个简单的数据结构，该结构包含两部分：对象寻址表和对象数据。对象寻址表是一个指向对象数据的指针数组，该数组保存的是托管堆中的所有对象的地址。对象数据是对象本身的实际数据。

2.2 对象池

虽然托管堆允许使用垃圾回收来管理内存，但在某些情况下（例如大量对象的短暂使用），使用托管堆仍会导致性能问题。这时可以使用对象池技术。

对象池是一个包含某一类对象的缓存，当应用程序需要新对象时，从缓存中获取。这个过程与垃圾回收不同，因为新对象不是创建和回收的。相反，对象被实例化一次，但在应用程序需要时，对象被重用而不是重复实例化。

使用对象池技术可以极大的提升性能，避免了反复的创建和销毁对象。同时也减少了垃圾回收器的负担，加快了垃圾回收器的回收速度，从而提高了系统的整体性能。

2.3 内存泄漏

在 .NET 中，内存泄漏的根本原因是应用程序未正确释放对象或引用计数不正确。如果对象不再被使用，但仍存在于内存中，它将无法被垃圾回收器清除。使用内存分析工具可以帮助您找到应用程序中的内存泄漏问题。找到泄漏的对象后，只需在适当的时间手动释放它们即可。

3 .NET Core 中的大小对象处理原理

在 .NET Core 中，大小对象（Small Object）的处理原理是根据对象的大小分为三种类型进行处理：

• Large Object：大于 85 KB
• Small Object Heap（SOH）：小于等于 85 KB，大于等于 832 B
• LOH 中的特殊对象：小于 832 B

由于 Large Object 大小超过了一些优化阈值，所以会特殊处理。大多数情况下，GC 不会处理 LOH 中的特殊对象，而是由应用程序自行处理，从而避免了回收大对象所带来的性能问题。而 SOH 中的对象（不属于特殊对象）则由 GC 进行回收。

3.1 对象的分配

当虚拟机需要分配对象时，会根据对象的大小以及所分配堆的限制来决定将对象放在哪个堆中。如果对象大小小于等于 85 KB 且大于等于 832 B，则它将被分配到 Small Object Heap（SOH）中。如果对象大小大于 85 KB，则分配到 Large Object Heap（LOH）中。

对象在 SOH 中的分配是动态的，由 GC 管理。GC 首先看是否有足够的空间来分配对象，在没有足够空间时，会启动垃圾回收器以回收不再使用的内存。

与 SOH 不同，LOH 中的内存分配是更加静态的。这意味着，当分配大量的内存时，物理地址可能会被预留。应用程序无法更改或释放这些预留内存区域，所以 LOH 中的内存分配更加耗时。为了避免频繁分配大型对象，最好使用对象池技术进行管理。

3.2 对象的回收

在常规的垃圾回收规则下，GC 会定期遍历 SOH 中的根引用并跟踪可访问的对象。而对于 LOH 中的对象，由于浅复制和深复制等原因，GC 无法自动管理。虽然 LOH 中的对象不属于垃圾回收范围，但是应用程序仍需要保证释放其占用的内存。

一般情况下，当 LOH 中的对象需要被释放时，应用程序可以在不需要使用这些对象时手动释放它们。此外，还可以使用对象池技术来优化效率，从而避免回收大量的对象。

4 .NET 中的内存性能优化

在高负载、高并发的应用程序中，内存性能显得尤为重要。本节将介绍在 .NET 中进行内存性能优化的各种技术。

4.1 垃圾回收性能优化

• 增加堆大小：增加堆大小可以延长垃圾回收时间间隔，从而减少 GC 的频率，提高性能。
• 调整 GC 策略：你可以调整 GC 的策略，例如通常情况下保持直到下一次 GC 的最大代数等。
• 使用 Server GC：如果你的应用程序具有较高的吞吐量和较低的响应要求，可以考虑使用 Server GC。Server GC 可以为多个 CPU 提供服务，并且在需要回收内存时，不会暂停所有线程。

4.2 内存分配优化

避免不必要的装箱和拆箱：装箱和拆箱会导致性能问题，所以尽量避免不必要的装箱和拆箱操作。可以使用泛型来实现类型安全的集合，或使用针对基元类型的专用数据结构。

使用结构体而不是类：在某些情况下，使用结构体而不是类可以避免堆分配，并提高性能。这是因为结构体是值类型对象，并放置在栈上，而不是堆上。

4.3 对象池优化

重用对象池：使用对象池是一种重要的内存优化技术。你可以采用以下优化措施来进一步提高效率：

• 调整池大小来最大化重用对象。
• 使用内存测量工具来优化大小和分配率。
• 限制对象池大小，以避免大量占用内存的可能性。

4.4 缓存和引用优化

使用本地缓存：在某些情况下，使用本地缓存可以增加应用程序的速度，因为它可以减少网络交互。

减少引用：减少不必要的引用可以减少内存泄漏和性能问题的可能性。在使用对象时，避免保留对对象的不必要引用。

使用弱引用：在少数情况下，使用弱引用可以避免内存泄漏问题。弱引用不会阻止对象被垃圾回收器释放。如果对象被垃圾回收器释放，弱引用将被清除，并返回 Null。

4.5 并发管理

智能锁管理：锁管理是一个重要的并发技术。在使用锁时，应该使用具有自旋县城的重量级或轻量级锁，以最大程度地减少锁定时间。

使用并发集合：在多线程环境下，使用并发集合可以提高性能和可伸缩性，避免线程争用锁定某些资源的问题。

使用异步编程：异步编程可以避免阻塞问题并提高可伸缩性。在异步编程中，线程可以在等待I/O操作完成时分离，并在操作完成时返回调用线程。这样，线程可以在等待操作完成时不会浪费过多的时间，并且可以不阻塞其它线程。

5 .NET 中的内存优化案例

5.1 使用对象池

假设你需要持久跟踪一个较长时间内发生的事件，并且每个事件都需要存储在内存中。在这种情况下，每当事件发生时，都会创建一个新的事件对象。这样做可能会导致性能和内存问题，因为大量的对象会被创建和销毁。

为了避免这个问题，你可以使用对象池来管理事件对象的创建和销毁。当事件结束时，事件对象不会被销毁，而是存储在对象池中以备重用。这种方法可以显著提高应用程序的性能，并减少内存泄漏的可能性。

5.2 减少垃圾回收

GC 是一种自动内存管理技术。当对象不再被引用时，垃圾回收器会自动将其回收。如果存在大量的垃圾回收，这可能会导致性能问题。

为了减少垃圾回收，你可以考虑以下几个方面：

• 避免在循环中创建新的对象；
• 创建对象时避免使用装箱；
• 尽量使用值类型而不是引用类型；
• 尽量避免使用字符串连接等会导致新对象被创建的操作。

5.3. 调整垃圾回收时间间隔

.NET 中的 GC 机制可以通过调整 GC 时间间隔来进行优化。可以设置 GC 在创建对象的时候暂停的时间，同时保证程序正常运行。

5.4. 避免不必要的引用

在开发过程中，如果你不小心维护了不必要的引用，可能会导致内存泄漏的问题。为了避免这个问题，你可以手动将引用设置成 null 来释放内存。

总体来说，合理使用对象池，减少垃圾回收，调整垃圾回收时间间隔，避免不必要的引用等内存优化方法可以大幅提高.NET应用程序的性能和可伸缩性。

结论

.NET 中的内存管理是一项复杂而重要的任务。原则上，应该尽量避免内存泄漏和内存溢出。如果你的应用程序已经出现了内存管理问题，可以使用内存分析工具来找出潜在问题，并在适当的时间手动释放不再使用的对象。

除此之外，还应该采用各种内存优化技术，从而最大限度地提高应用程序的性能和可伸缩性。这些技术包括调整 GC 策略、缓存和引用优化、对象池优化和并发管理等。

在实际开发中，可能需要根据应用程序的需求和特点来选择不同的技术。总之，.NET 提供了强大的内存管理和优化技术，您只需要掌握它们，就可以构建高性能的应用程序。