در دنیای توسعه نرم‌افزار، مدیریت حافظه شبیه به شالوده یک خانه است - پایداری آن مستقیماً بر عملکرد و قابلیت اطمینان برنامه‌ها تأثیر می‌گذارد. برای توسعه‌دهندگان .NET، جمع‌آوری‌کننده زباله (GC) به عنوان یک مدیر حافظه خودکار عمل می‌کند و بی‌صدا بر تخصیص و آزادسازی حافظه نظارت دارد. این به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا به جای مدیریت دستی حافظه، بر منطق کسب‌وکار تمرکز کنند. با این حال، تکیه صرف بر عملکرد خودکار GC کافی نیست. درک عمیق از عملکرد و مکانیسم‌های آن برای بهینه‌سازی و مداخله در صورت لزوم ضروری است.

جمع‌آوری‌کننده زباله .NET چیزی بیش از یک ابزار ساده برای پاکسازی حافظه است - مزایای قابل توجهی را ارائه می‌دهد که باعث افزایش کارایی توسعه و قابلیت اطمینان برنامه می‌شود:

• آزادی توسعه‌دهنده: GC مدیریت حافظه را خودکار می‌کند، نیاز به آزادسازی دستی را از بین می‌برد و پیچیدگی را کاهش می‌دهد.
• تخصیص کارآمد: اشیاء به سرعت در پشته مدیریت شده تخصیص داده می‌شوند و سربار را به حداقل می‌رسانند.
• پاکسازی خودکار: اشیاء استفاده نشده بازیابی می‌شوند، از نشت حافظه جلوگیری می‌کنند و حافظه را برای تخصیص‌های آینده بازیافت می‌کنند.
• مقیاس‌بندی ساده شده: اشیاء مدیریت شده به طور خودکار مقداردهی اولیه می‌شوند و توسعه را ساده می‌کنند.
• ایمنی حافظه: GC تضمین می‌کند که اشیاء فقط به حافظه تخصیص داده شده خود دسترسی دارند، از تداخل جلوگیری می‌کند و امنیت را افزایش می‌دهد.

برای درک جمع‌آوری زباله، درک این مفاهیم اساسی CLR ضروری است:

• فضای آدرس مجازی: هر فرآیند در فضای آدرس مجازی ایزوله خود عمل می‌کند و از دسترسی به حافظه متقابل فرآیند جلوگیری می‌کند.
• حالت‌های حافظه: حافظه مجازی می‌تواند آزاد ، رزرو شده ، یا تعهد شده باشد، که هر کدام اهداف متمایزی در تخصیص دارند.
• تکه تکه شدن: بلوک‌های حافظه آزاد ناپیوسته می‌توانند تخصیص‌های بزرگ را مختل کنند، حتی زمانی که فضای آزاد کل کافی باشد.
• فایل‌های صفحه: اینها به عنوان پشتیبان برای حافظه فیزیکی عمل می‌کنند که در هنگام فشار حافظه بالا فعال می‌شوند.

هنگامی که یک فرآیند مقداردهی اولیه می‌شود، CLR یک فضای آدرس پیوسته - پشته مدیریت شده - را برای تخصیص شیء رزرو می‌کند. پشته یک اشاره‌گر به مکان حافظه بعدی موجود را حفظ می‌کند و امکان قرار دادن سریع شیء را فراهم می‌کند. برخلاف پشته‌های غیرمدیریت شده، این رویکرد تخصیص‌های نزدیک به سرعت پشته و الگوهای دسترسی بهینه شده را به دلیل پیوستگی شیء ارائه می‌دهد.

موتور GC به طور هوشمندانه زمان‌بندی جمع‌آوری را بر اساس فشار حافظه تعیین می‌کند. جمع‌آوری زمانی رخ می‌دهد که:

• حافظه سیستم کم می‌شود
• تخصیص‌های پشته مدیریت شده از آستانه‌های پویا فراتر می‌روند
• GC.Collect() به صراحت فراخوانی می‌شود (به ندرت توصیه می‌شود)

GC اشیاء استفاده نشده را از طریق «ریشه‌ها» شناسایی می‌کند - ارجاعاتی از فیلدهای استاتیک، پشته‌های رشته، ثبات‌های CPU و سایر ساختارهای زمان اجرا. اشیایی که از هیچ ریشه‌ای قابل دسترسی نیستند، زباله تلقی می‌شوند و بازیابی می‌شوند. در طول فشرده‌سازی، اشیاء باقی‌مانده برای ادغام فضا منتقل می‌شوند و اشاره‌گرها بر این اساس به‌روزرسانی می‌شوند.

پشته به نسل‌ها تقسیم می‌شود تا جمع‌آوری بهینه شود:

• نسل 0: اشیاء کوتاه مدت (به عنوان مثال، موقت) را در خود جای می‌دهد. جمع‌آوری در اینجا مکرر و سریع است.
• نسل 1: به عنوان یک بافر بین اشیاء کوتاه مدت و بلند مدت عمل می‌کند.
• نسل 2: شامل اشیاء بلند مدت (به عنوان مثال، داده‌های استاتیک) است. جمع‌آوری جامع اما غیر مکرر است.
• LOH (پشته شیء بزرگ): برای اشیاء ≥85KB، با Gen2 جمع‌آوری می‌شود اما به دلیل هزینه‌های عملکرد، به ندرت فشرده می‌شود.

اشیاء باقی‌مانده از جمع‌آوری به نسل‌های بالاتر ارتقا می‌یابند. GC به طور پویا آستانه‌ها را بر اساس نرخ بقا تنظیم می‌کند تا استفاده از حافظه و فرکانس جمع‌آوری را متعادل کند.

در حالی که GC بیشتر حافظه را مدیریت می‌کند، منابع غیرمدیریت شده (دستگیره‌های فایل، اتصالات شبکه) نیاز به پاکسازی صریح از طریق:

• Dispose() الگوی انتشار قطعی
• Finalizers به عنوان شبکه‌های ایمنی برای پاکسازی فراموش شده
• SafeHandle wrappers برای مدیریت منابع قوی

دفع مناسب منابع از نشت جلوگیری می‌کند و پایداری سیستم را تضمین می‌کند، به ویژه برای منابع کمیاب سیستم عامل.

برای به حداقل رساندن سربار GC:

• از تخصیص‌های بزرگ خودداری کنید (به عنوان مثال، استفاده از آرایه‌های 32 بایتی در حالی که 15 بایت کافی است)
• در صورت امکان، اشیاء را دوباره استفاده کنید
• باکسینگ انواع مقداری را محدود کنید
• برای داده‌های کوچک و کوتاه مدت، ساختارها را در نظر بگیرید

درک رفتار نسل‌بندی، بهینه‌سازی‌های هدفمند را امکان‌پذیر می‌کند - کاهش تخصیص‌های Gen0 فرکانس جمع‌آوری را کاهش می‌دهد، در حالی که مدیریت اشیاء بزرگ فشار LOH را کاهش می‌دهد.