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）

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）。

 

     

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 ]

http://www.cnblogs.com/jasenkin/archive/2010/10/03/clr_gc_show.html