Garbage Collection (GC) - Krebs Cycle 🔄

在 .NET 或其他具備自動記憶體管理的語言中，Garbage Collector（GC）層級（或稱「世代」Generations）是為了提升效能而設計的機制。本專案以 .NET CLR (Common Language Runtime) 為例詳細說明與示範。

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🧠 GC 的三個世代（Generations）

Generation 0（年輕代）

• 特點：存放新建立的物件。
• 清除頻率：最頻繁。
• 設計理念：大多數物件「很快死亡」（例如暫時性變數、短期緩存）。
• 觸發時機：當記憶體不足時，GC 會先嘗試清除 Gen 0。
• 清除後：
  • 若物件仍在使用，會被「升級」到 Generation 1。

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Generation 1（中生代）

• 特點：存放從 Gen 0 存活下來的物件。
• 清除頻率：比 Gen 0 少，但比 Gen 2 多。
• 設計理念：有些物件比短期變數壽命更長，但不會長期存在。
• 清除後：
  • 若物件仍然存活，則升級到 Generation 2。

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Generation 2（老年代）

• 特點：存放長期存在的物件，例如：
  • 應用程式啟動時建立的單例
  • 大型緩存資料結構
• 清除頻率：最少，因為通常存活率高。
• 清除時機：只有在記憶體壓力很大時才觸發。

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📦 Large Object Heap (LOH)

• 特別區域：存放大於 85,000 bytes 的物件（例如大型陣列）。
• 不屬於 Gen 0~2，但在 .NET 中視為 Gen 2 的一部分。
• 特性：
  • 不會經常被壓縮（compacted）。
  • 在 .NET 4.5 之後可以選擇壓縮 LOH。

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🔁 收集層級（GC Collection Levels）

方法	說明	對應世代
GC.Collect(0)	僅收集 Generation 0	Gen 0
GC.Collect(1)	收集 Generation 0 與 1	Gen 1
GC.Collect(2)	收集全部（包含 LOH）	Gen 2
GC.Collect()	預設等同於 GC.Collect(2)	全部

⚠️ 一般建議 不要手動呼叫 GC.Collect()，讓 CLR 自行判斷最佳時機即可。

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⚙️ GC 模式（補充）

除了世代外，.NET GC 也有「模式」設定：

模式	說明
Workstation GC	適用於桌面應用程式，優先互動流暢度。
Server GC	適用於伺服器環境，平行化、提升吞吐量。
Concurrent / Background GC	在背景執行，以減少應用程式停頓時間。

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🚀 執行示範程式

本專案包含一個完整的 .NET 示範程式，展示所有 GC 概念：

cd GarbageCollectionDemo
dotnet run

示範內容

1. GC 設定顯示 - 顯示當前的 GC 模式和設定
2. 世代示範 - 展示物件如何在世代間晉升
3. Large Object Heap - 展示 LOH 的特殊行為
4. 收集層級 - 展示不同的 GC.Collect() 層級效果
5. 短期記憶示範 - 展示「短期注意力」(Short Attention Memory Span) 的物件生命週期
6. Span 與 Memory - 展示現代 .NET 記憶體高效型別

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📁 專案結構

GarbageMangement/
├── README.md                           # 本文件
└── GarbageCollectionDemo/              # 示範程式
    ├── GarbageCollectionDemo.csproj    # 專案檔
    └── Program.cs                      # 主程式

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📚 參考來源

• Microsoft Docs: Fundamentals of Garbage Collection
• Jeffrey Richter, CLR via C# (4th Edition), Chapter 21: Garbage Collection
• Maoni Stephens (Microsoft GC Team Blog): GC Performance and Internals

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💭 短期記憶 (Short Attention Memory Span)

「短期注意力」概念 是指大多數物件在記憶體中的生命週期都很短暫，就像人類的短期記憶一樣。

核心特性

• 瞬時性物件（Ephemeral Objects）：大部分物件在建立後很快就不再被使用
• 快速失去引用：當變數離開作用域或被設為 null，物件即「被遺忘」
• Gen 0 最佳化：因為多數物件都有「短期注意力」，Gen 0 設計為快速且頻繁回收

實際應用

// 短期注意力 - 物件立即失去引用
for (int i = 0; i < 1000; i++)
{
    var temp = new byte[1000];  // 建立
    // 離開迴圈 → 失去引用 → Gen 0 回收
}

// 長期注意力 - 物件持續被引用
var keepAlive = new byte[1000][];
for (int i = 0; i < 1000; i++)
{
    keepAlive[i] = new byte[1000];  // 維持引用
}

為什麼重要？

• 理解「短期注意力」有助於寫出更高效的程式碼
• 避免不必要的長期引用可以減少記憶體壓力
• Gen 0 的快速回收機制正是為了處理這些「健忘」的物件

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🔬 Krebs Cycle 隱喻

**Krebs Cycle（克雷布斯循環）**是細胞代謝中的關鍵循環過程，就像 GC 的世代循環一樣：

• 代謝循環 → 物件在世代間的循環
• 能量回收 → 記憶體的回收與重用
• 持續運作 → GC 的自動化管理

這個類比強調了 GC 作為一個持續、循環的記憶體管理系統的本質。

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🚀 Span 與 Memory - 現代記憶體管理

.NET Core 2.1+ 引入了 Span<T> 和 Memory<T>，這些是現代高效能記憶體管理的核心型別。

Span - 堆疊型記憶體視圖

• 特點：

  • ref struct 型別，僅能存在於堆疊上
  • 零配置（zero-allocation）的記憶體切片
  • 可以指向堆疊記憶體、堆積記憶體或原生記憶體
  • 無法跨越 async/await 邊界

• 優勢：

  • 完全無 GC 壓力（使用 stackalloc 時）
  • 接近原生指標的效能，但型別安全
  • 零成本抽象（zero-cost abstraction）

// 堆疊配置 - 無堆積分配，無 GC 壓力
Span<int> stackSpan = stackalloc int[100];

// 切片 - 無配置
var slice = stackSpan.Slice(10, 20);

Memory - 可儲存的記憶體視圖

• 特點：

  • 一般 struct 型別，可以儲存在堆積上
  • 支援 async/await
  • 可以轉換為 Span 進行操作

• 用途：

  • 需要儲存在欄位或屬性中時
  • 需要跨越 async 邊界時
  • 需要較長生命週期時

// 可以儲存在欄位中
Memory<byte> buffer = new byte[1000];

// 轉換為 Span 進行操作
Span<byte> span = buffer.Span;

與傳統陣列的比較

特性	Array	Span	Memory
GC 壓力	是（堆積配置）	否（stackalloc）	是（若堆積配置）
切片成本	高（新配置）	零（視圖）	零（視圖）
跨越 async	是	否	是
儲存在欄位	是	否	是
效能	良好	極佳	良好

何時使用

• Span：

  • 需要最高效能
  • 短期、局部處理
  • 可以使用 stackalloc

• Memory：

  • 需要儲存或傳遞
  • async/await 方法中
  • 較長生命週期

• Array：

  • 需要可變大小
  • 需要實作 IEnumerable
  • 舊版 .NET Framework

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📄 授權

本專案為教育示範用途。