C# 視覺化呈現 .NET 垃圾收集器運作流程

以 WinForms 圖形化模擬 GC 核心概念：物件配置、代系晋升、根可達性判斷、Finalize 队列、Freachable 队列、記憶體不足觸發完整收集。非真實 CLR 實作，僅供教學視覺化。

核心概念速覽

• 物件配置：newobj → 計算大小 → 檢查 Gen0 空間 → 足夠則配置，否則觸發 GC
• 根：靜態欄位、區域變數、方法參數、CPU 註冊器，指向 Managed Heap 物件或 null
• 三代系統：Gen0 (256KB)、Gen1 (2MB)、Gen2 (10MB)，GC 自動調整預算
• Finalize：~Class()，不可控執行時機，GC.Collect()、Gen0 滿、記憶體不足、AppDomain 卸載、CLR 關閉時觸發
• Dispose：IDisposable，決定釋放，可配合 HandleCollector 誘發 GC

模擬架構：三大類別

// 物件實體
public class DataObject {
    public bool HasFinalizeMethod { get; set; }
    public bool HasRoot { get; set; }
    public int Size { get; set; }          // 模擬記憶體大小 (1~3 單位)
    public Color Color { get; set; }       // 視覺化顏色
    public string Name { get; set; }       // GUID
    public int Generation { get; set; }    // 0/1/2
    public string Tag => HasFinalizeMethod ? "[F]" : "[!F]";
}

// 物件集合
public class DataObjects : IEnumerable<DataObject> {
    List<DataObject> list = new List<DataObject>();
    public void Add(DataObject o) { if (!list.Contains(o)) list.Add(o); }
    public void Remove(DataObject o) { list.Remove(o); }
    public int Count => list.Count;
    public DataObject this[int i] => list[i];
    public IEnumerator<DataObject> GetEnumerator() => list.GetEnumerator();
    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator() => GetEnumerator();
}

// 管理器：全域集合 + 三代視圖 + Finalize/Freachable 隊列
public class DataObjectManager {
    public DataObjects AllObjects { get; } = new DataObjects();
    public DataObjects FinalizeTable { get; set; } = new DataObjects();
    public Queue<DataObject> FreachableQueue { get; set; } = new Queue<DataObject>();

    public DataObjects GetGeneration(int gen) {
        var g = new DataObjects();
        foreach (var o in AllObjects) if (o.Generation == gen) g.Add(o);
        return g;
    }
    public DataObjects Gen0 => GetGeneration(0);
    public DataObjects Gen1 => GetGeneration(1);
    public DataObjects Gen2 => GetGeneration(2);
}

物件建立流程

void NewObject() {
    var obj = new DataObject {
        HasFinalizeMethod = Rand.Bool(0.3),
        HasRoot = Rand.Bool(0.6),
        Size = Rand.Int(1, 3),
        Color = Rand.Color(),
        Name = Guid.NewGuid().ToString(),
        Generation = 0
    };

    int need = ObjHeaderSize + obj.Size; // 模擬大小
    if (Gen0FreeSpace >= need) {
        AllocateInGen0(obj);
    } else {
        GCCollect(obj); // 空間不足觸發收集
    }
}

void AllocateInGen0(DataObject obj) {
    manager.AllObjects.Add(obj);
    if (obj.HasFinalizeMethod) manager.FinalizeTable.Add(obj);
    RefreshPanels();
}

GC 收集邏輯（分代式）

1. 清理 Freachable：移除上輪殘留的 Finalize 物件
2. FinalizeTable → Freachable：無根且有 Finalize 的物件移入隊列
3. Gen0 掃描：無根無 Finalize → 直接移除；其餘晉升 Gen1
4. Gen1 滿檢查：空間不足 → 掃描 Gen1，無根無 Finalize 移除，其餘晉升 Gen2
5. Gen2 滿檢查：空間不足 → 掃描 Gen2 移除無根物件；仍不足 → 全清（模擬 OOM）

void GCCollect(DataObject newObj) {
    // 1. 清理 Freachable
    while (manager.FreachableQueue.Count > 0) {
        manager.AllObjects.Remove(manager.FreachableQueue.Dequeue());
    }
    // 2. FinalizeTable → Freachable
    foreach (var o in manager.FinalizeTable) if (!o.HasRoot) manager.FreachableQueue.Enqueue(o);
    foreach (var o in manager.FreachableQueue) manager.FinalizeTable.Remove(o);

    // 3. Gen0
    var survivors = new DataObjects();
    foreach (var o in manager.Gen0) {
        if (!o.HasRoot && !o.HasFinalizeMethod) manager.AllObjects.Remove(o);
        else { survivors.Add(o); o.Generation++; }
    }
    // 4. 嘗試放入 Gen1
    if (Gen1FreeSpace >= survivors.TotalSize) {
        foreach (var o in survivors) { /* 已晉升 */ }
    } else {
        HandleGen1(survivors); // 遞迴處理 Gen1
    }
    RefreshPanels();
}

視覺化繪製

每代對應一個 Panel，Paint 事件依物件 Size 繪製矩形，顯示 Name、HasRoot、Tag。

void panelGen0_Paint(object sender, PaintEventArgs e) {
    var g = e.Graphics;
    float x = 0;
    foreach (var o in manager.Gen0) {
        g.FillRectangle(new SolidBrush(o.Color), x, 0, o.Size * UnitWidth, 20);
        g.DrawString($"[{o.Name}]{(o.HasRoot?"R":"")}", font, Brushes.Red, x, 0);
        g.DrawString(o.Tag, font, Brushes.Red, x, 22);
        x += o.Size * UnitWidth;
    }
}

隨機根變更模擬物件失去參考

void RandomizeRoots() {
    foreach (var o in manager.AllObjects)
        if (o.HasRoot) o.HasRoot = Rand.Bool(0.9); // 10% 機率失去根
}

已知問題

• System.Timers.Timer 觸發 Panel.Refresh() 會跨執行緒存取 UI，需改用 System.Windows.Forms.Timer 或 Invoke
• 模擬邏輯簡化，非真實 CLR GC 實作

原始碼下載：Jasen.GCShow.rar