Chapter 8：垃圾回收标记阶段（Garbage Collection – Mark Phase）

为什么标记阶段先问“从哪里出发”

追踪式 GC 不会逐个询问对象“你还要不要活着”，它先取得一组堆外入口，再沿强引用边求传递闭包。GC 根 是算法的起点；没有任何根路径能到达的对象才是回收候选。

根必须是“引用所在的位置”，而不只是某个地址值。若后续压缩移动对象，GC 还需要更新根位置中的引用。普通 C# 由 JIT 和 CLR 保证这份契约；CoreCLR 本机代码若把 OBJECTREF 藏进 GC 不知道的结构，回收后就可能形成悬空地址，即所谓 GC hole。

对象图允许共享和环。静态缓存指向 A，A 与 B 互相引用时，只要静态根还在，A/B 都活；清掉静态根后，整个孤立环都可回收。引用计数在这里可能困住环，追踪标记则不会。

JIT 怎样报告栈与寄存器中的精确根

JIT 为编译代码生成 GC info，描述在可挂起位置哪些寄存器和栈槽含对象引用或 interior byref。stack walker 结合线程上下文与这些映射枚举根。GC 不会把每个看起来像地址的机器字都保守当引用，否则随机整数可能错误保活对象，也无法安全更新移动后的真正引用。

Release Tier 1 优化可在最后一次使用后提前结束根的活跃范围，书中称为 eager root collection；因此变量仍写在源码块里，不代表后续安全点还会上报。Debug 和 Tier 0 常保留得更久，测试时可能观察不到同样现象。GC.KeepAlive 放在最后一个必须依赖对象存活的位置，用于扩展语义活跃范围，而不是执行真实工作。

static void Send(NativeWrapper wrapper)
{
    NativeApi.UseHandle(wrapper.DangerousHandle);
 
    // 确保 wrapper 及其终结器拥有的资源活到本机调用返回之后。
    GC.KeepAlive(wrapper);
}

把 GC.KeepAlive(wrapper) 放在本机调用之前没有意义，放在方法末尾也不自动解决异步回调所有权。它只保证传入对象在该调用之前保持可达。

静态字段、句柄与 interior root 有何差异

静态字段是常见长期根；强句柄与普通强引用相同，会把目标及其引用闭包标活。弱句柄不把目标加入强闭包，目标若无其他强路径可在本轮成为不可达；dependent handle 则表达“主对象活时才让次对象随之存活”的条件边。具体句柄生命周期在第 12 章继续展开，本章只关心它们如何参与标记。

托管 byref 可指向对象字段或数组元素内部。GC 枚举到 interior root 时必须识别所属对象基址，标记整个对象，并在移动时保持偏移关系。普通无类型 IntPtr 只是整数地址，GC 不会自动把它当根或更新它；跨 GC 保存对象内部地址必须使用受支持的 pinning/interop 契约。

precise root  = location + kind + current object reference
interior root = location + object base recovery + interior offset
raw IntPtr    = numeric address; not automatically traced or relocated

终结对象为什么会额外存活一轮

带终结器的实例在创建时被登记。标记阶段若发现它仍由普通根可达，就与普通对象一样存活；若首次变为不可达且未 SuppressFinalize，运行时把它移入待执行终结器的 f-reachable 队列，并重新把它及必要引用标活。终结器运行后，若对象没有复活，下一次覆盖它的回收才可真正释放存储。

“finalization queue 是根”是便于理解的简写，实际是特殊扫描规则，不是登记过的对象从出生起永远强可达。终结器可能让一整片对象图多跨一次回收，增加晋升和暂停；资源所有权应优先使用 IDisposable/SafeHandle，对象生命周期细节留到第 12 章。

sealed class NativeOwner : IDisposable
{
    private readonly SafeHandle _handle;
 
    public void Dispose()
    {
        _handle.Dispose();
        GC.SuppressFinalize(this);
    }
}

这里 SuppressFinalize 只有在该类型确实登记了终结处理时才改变路径；SafeHandle 通常承载可靠终结语义，业务包装器无需重复实现脆弱的裸终结器。

标记栈怎样遍历共享子图与引用环

根枚举得到对象后，GC 检查标记状态：首次发现则置 marked 并加入工作集合；随后读取对象类型信息，依据 MethodTable 关联的 GC descriptor 找出引用字段，再处理每个子对象。已标记对象不会重复压入，所以菱形共享和引用环都能终止。

可把核心逻辑写成下面的抽象算法；真实 server GC 会并行分工，工作栈也有分段、溢出恢复等实现细节，但不改变“每个强可达对象至少被发现、重复边不重复展开”的不变量。

for root in enumerate_precise_roots():
    mark_and_push(root)
 
while mark_work_not_empty():
    object = pop()
    for child in scan_reference_fields(object.type, object):
        if child is in collected scope and not marked(child):
            mark_and_push(child)

“in collected scope”很重要：Gen 0 回收不需要遍历所有 Gen 2 对象，但仍必须找到从老代进入年轻代的边。这正是写屏障和卡表解决的问题。

MethodTable 低位怎样临时承载标记状态

对象必须有地方记录“已发现”。本章描述的 CoreCLR 实现会利用 MethodTable 指针的对齐：类型数据地址按 4 或 8 字节对齐，最低若干位通常为零，因此运行时可临时叠加 mark/pin 等 GC 位，读取真正 MethodTable 时再掩掉这些位。这不破坏类型身份，却避免为每个对象额外增加独立字段。

这是运行时内部布局，不是 C# 或 ECMA CLI 保证。应用不得通过固定偏移读取对象头，也不能假定所有版本、架构和 GC 实现都使用相同位。需要学习时可比较 Tier 1 JIT 反汇编、运行时源码与 dump；业务诊断应依赖受支持事件和工具。

写屏障与卡表怎样补回老到新的边

年轻代回收若从根只扫描 Gen 0，会漏掉 Gen2Object.Field = Gen0Object。JIT 因此在托管引用写入旁生成 写屏障。它检查/记录目标槽地址，把对应老代地址区间标成可能含有进入年轻代的引用。

卡表故意允许假阳性：一个 card 覆盖多个字段/对象，只记录“这里可能有相关边”，扫描时再检查真实引用。这样每次赋值只做很小的常数工作，代价是年轻代回收补扫少量无关槽。数组批量复制、运行时 helper 和 unsafe 内部路径也必须采用相应 bulk/write barrier；普通 C# 赋值由 JIT 保证。

// 假设 cache 已晋升到 Gen 2，而 request 是新建的 Gen 0 对象。
cache.Current = request;
// JIT 生成引用写入，并通过 write barrier 把 cache.Current 所在 card 置脏。
 
cache.Current = null;
// 清空也是引用写入；卡表可以暂时保守地保持 dirty。

固定对象在标记阶段表达哪两个事实

fixed/pinned handle 参与根枚举时同时表达强可达和不可移动。若是 interior pinned root，GC 还要找到对象基址并保留内部偏移。标记阶段先确认它属于 live set，并记录 pinning；第 9 章计划阶段才决定 pin 如何切断可移动 plug、留下 gap，第 10 章再真正清扫或压缩。

POH 对象按设计不移动，但仍然需要可达性判定；“在 POH”不等于永久根。相反，一个已经失去全部强根的 POH 数组也能在覆盖该区域的回收中被释放。缩短 pin 时间是减少碎片影响的手段，不是改变对象业务生命周期的替代品。

怎样从 dump 验证标记结论

标记算法本身在运行时内部执行，应用排查通常从结果反推：dumpheap -stat 找增长类型，dumpheap -mt 找实例，gcroot 列出一条或多条根路径。若对象只在 Debug 存活而 Release Tier 1 消失，应检查 JIT 活跃范围；若根是强 GCHandle 或静态字段，应修复句柄销毁、缓存淘汰或订阅解除。

dotnet-dump analyze app.dmp
> dumpheap -stat
> dumpheap -type Namespace.Suspect
> gcroot 000001F234567890

dump 是某一时刻已存活对象的快照，不能单独给出分配速率或每轮标记成本。把它与同版本、同负载的 GC 事件和 allocation trace 对齐，才能区分“对象图合理但分配太快”与“根路径异常导致长期保留”。

三步建立标记阶段验证闭环

小结

• GC 根是可更新的堆外引用位置；JIT GC info 让栈和寄存器根精确到安全点与活跃范围
• 标记栈从强根求可达闭包，标记位避免共享子图与引用环重复展开；图外对象才是回收候选
• 强、弱、固定、依赖句柄和终结处理具有不同标记语义，待终结对象通常会额外存活一轮
• 写屏障把潜在老到新的边记录到卡表，年轻代回收只需补扫 dirty cards，而不必遍历全部老代
• 固定对象既要标活又不可移动，但 pinning/POH 都不使对象永久存活；清扫和压缩决策属于后续阶段

名词解释