.NET的垃圾回收（GC）是公共语言运行时（CLR）提供的自动内存管理机制，主要负责管理托管堆上的内存分配与回收，避免开发者手动操作内存带来的内存泄漏、野指针等问题。GC的核心目标是识别并回收那些不再被应用程序使用的对象所占用的内存空间，同时整理内存碎片，提升内存使用效率。
GC的核心基础：托管堆与对象引用
在.NET中，引用类型的对象会被分配在托管堆上，托管堆是一块连续的内存区域，由GC统一管理。当创建新的引用类型对象时，CLR会在托管堆上分配对应的内存空间，同时返回对象的引用地址。GC判断对象是否可被回收的核心依据是可达性分析：从一组称为根（Root）的对象出发，遍历所有可以被直接或者间接引用的对象，这些对象就是存活对象，其余没有被根引用链关联的对象就是垃圾对象，可以被回收。
常见的根对象包括：
- 当前正在执行的方法中的局部变量和参数
- 静态变量和静态事件
- 托管对象中指向其他对象的引用
- 终结器队列中的对象引用
GC的代龄划分机制
为了提升垃圾回收的效率，.NET的GC采用了分代回收的策略，将托管堆上的对象划分为3代，分别是第0代（Gen 0）、第1代（Gen 1）和第2代（Gen 2），不同代的对象有着不同的回收频率和存活时间：
| 代龄 | 描述 | 回收频率 |
|---|---|---|
| 第0代 | 新创建的对象，大部分对象会在这里被回收 | 最高 |
| 第1代 | 第0代回收后存活下来的对象，属于短生命周期对象到长生命周期对象的过渡 | 中等 |
| 第2代 | 第1代回收后存活下来的对象，通常是长生命周期对象，比如静态变量、缓存对象等 | 最低 |
分代回收的逻辑基于一个经验假设：大部分对象的生命周期都很短，刚创建的对象很快就会被丢弃，而存活时间越久的对象，后续继续存活的概率越高。因此GC优先回收第0代和第1代，只有当这两代的内存空间不足时，才会触发第2代的回收，也就是完整回收。
GC的完整工作流程
一次完整的GC回收过程通常包含以下几个步骤：
1. 标记阶段
GC首先会暂停所有托管线程（这个过程称为GC暂停，也叫Stop The World），然后从根对象出发，遍历所有的对象引用链，标记出所有存活的对象。没有被标记的对象就会被判定为垃圾对象。
2. 计划阶段
GC会根据标记结果，判断本次回收需要执行的操作，比如是否需要压缩内存（整理存活对象的位置，消除内存碎片）、是否需要提升对象的代龄等。
3. 重定位阶段
如果本次回收需要压缩内存，GC会计算所有存活对象在压缩后的新内存地址，更新所有指向这些对象的引用，确保引用指向新的地址。
4. 压缩阶段
GC会将所有存活的对象移动到托管堆的连续区域，释放垃圾对象占用的内存空间，同时更新托管堆的指针位置，让新的对象可以分配到连续的内存空间中，减少内存碎片。
5. 代龄提升
回收完成后，存活下来的第0代对象会被提升为第1代，存活的第1代对象会被提升为第2代。如果第0代或者第1代的内存阈值没有达到，后续的新对象还是会分配到第0代中。
GC的触发场景
GC并不是随时都会执行，通常在以下几种场景下会被触发：
- 第0代或者第1代的内存分配阈值被达到，新对象无法分配到对应代的内存空间
- 应用程序显式调用
GC.Collect()方法，不过生产环境不建议随意调用该方法，避免影响GC的正常调度 - 系统内存不足，操作系统通知CLR需要释放内存
- CLR卸载应用程序域或者进程退出时
代码示例：观察GC的代龄变化
我们可以通过GC.GetGeneration方法获取对象当前的代龄，观察对象在GC回收后的代龄变化：
using System;
class Program
{
static void Main()
{
// 创建一个新对象，此时对象在第0代
object obj = new object();
Console.WriteLine($"初始代龄: {GC.GetGeneration(obj)}"); // 输出 0
// 手动触发第0代回收
GC.Collect(0);
// 等待回收完成
GC.WaitForPendingFinalizers();
Console.WriteLine($"第一次回收后代龄: {GC.GetGeneration(obj)}"); // 输出 1
// 再触发第1代回收
GC.Collect(1);
GC.WaitForPendingFinalizers();
Console.WriteLine($"第二次回收后代龄: {GC.GetGeneration(obj)}"); // 输出 2
}
}
注意事项
虽然GC是自动运行的，但开发者在写代码时也可以遵循一些原则来减少GC的压力：
- 尽量避免创建不必要的短生命周期大对象，大对象会被直接分配到第2代的大对象堆（LOH）中，回收成本更高
- 及时释放不再使用的对象引用，比如将引用设为null，不过现代CLR的JIT优化可能会让这个操作没有实际效果，更推荐在合适的代码块中使用
using语句管理实现了IDisposable接口的对象 - 避免在频繁调用的方法中分配大量临时对象，减少第0代的回收频率