Chapter 9：垃圾回收计划阶段（Garbage Collection – Plan Phase）

为什么标记完成后还不能立刻移动对象

第 8 章只回答“谁活着、谁被固定”。进入本章时，每个相关对象已有 标记位，部分对象还带 固定位。GC 仍需先决定保持地址并清扫，还是计算一套压缩布局；直接边扫描边搬会破坏尚未读取的对象边界与引用更新顺序。

Plan Phase 因而是“把事实转成执行方案”的阶段。它扫描堆布局，统计存活、空洞、固定锚点和代边界，形成后续引用重定位与对象搬运需要的映射。第 10 章才执行 sweep 或 compact；本章中的 old → new 都是计划，不是已发生的地址变化。

plugs 与 gaps 怎样压缩逐对象规划成本

CoreCLR 文献常称存活块为 plug。两个 plugs 之间的死对象区间是 空洞，即 gap。计划阶段顺序扫描 mark bits，把相邻存活对象合并成 plug；只要知道 plug 旧起点、长度和新起点，plug 内对象的新地址都能由同一个位移量推导。

old: [gap0][ A ][ A ][ A ][gap1][gap1][ B ][ B ][gap2][ C ][ C ]
plan: plug A old 1 -> new 0
      plug B old 6 -> new 3
      plug C old 9 -> new 5
new: [ A ][ A ][ A ][ B ][ B ][ C ][ C ][ contiguous free tail ]

书中强调每个实际 plug 都可视为有前置 gap。代的开头存在一个哨兵式空对象，因此首个真实 plug 也有可用前置区域；实现还可能为统计目的记录“逻辑 gap”，即便物理上没有明显死区。这样计划元数据可就地关联到下一个 plug，减少额外旁表和缓存跳转。具体字段大小与编码属于运行时版本细节。

Sweep 还是 Compact 取决于什么

Sweep 的优势是少搬存活字节、引用无需因移动而整体更新，适合存活率高或移动收益低的范围；代价是保留分散空洞，未来分配要查 free list，且大请求可能找不到足够连续块。Compact 把 plugs 向目标端聚拢，形成连续 free tail，恢复指针碰撞和局部性；代价是计算/更新引用、复制存活对象，并受 pins 切断。

决策不是一个公开的固定百分比。运行时会考虑回收代、heap kind、存活/晋升、碎片分布、可提交空间、内存负载、GC flavor、历史预算、显式压缩请求以及固定对象。年轻代天然偏向通过移动 survivor 完成晋升；LOH 通常 sweep，除非满足/请求压缩；POH 对象按设计不移动。不同版本可调整启发式，应用不应硬编码“碎片超过 20% 必压缩”。

先预测提高存活率、pin 比例或内存负载会怎样改变收益，再调节实验。图中分数只是教学模型：它展示因素方向，不复刻 CLR 私有阈值，也不能替代真实事件。

重定位计划怎样从地址位移得到

压缩方案从低地址目标指针开始。遇到可移动 plug 时，把它计划到当前目标，随后目标指针推进 plug 长度；遇到 gap 时只累计可回收空间；遇到 pinned plug 时必须把目标调整到不跨越该锚点。对 plug 内任意对象，newAddress = oldAddress + plugDelta，无需为每个对象单独存完整地址。

destination = generation_start
 
for each gap + following plug in address order:
    if plug is movable:
        record(plan, plug.old_start, destination, plug.length)
        destination += plug.length
    else: // pinned anchor
        record(plan, plug.old_start, plug.old_start, plug.length)
        destination = max(destination, plug.old_end)

真实实现还要处理多个 segments、代边界、对齐、brick/card 元数据与并行 heap 协调。上面的伪代码只保留核心不变量：计划不能让对象重叠，不能移动 pinned plug，且每个待更新引用都能从旧地址找到唯一新地址。

固定对象怎样切断连续压缩

一个 pinned object 不一定让整个 segment 都无法压缩。GC 可以把它之前的 plugs 向前移动，把之后的 plugs 压到锚点之后；但不能让任何 plug 穿过该地址。若锚点前后留下的空洞小于常见分配，统计上空闲却难以复用，碎片成本会上升。

在短命区频繁 pin 通常更破坏性：它把本可整体移动/晋升的年轻代切成多个区间。把长期固定缓冲在创建时放入 POH，可避免它反复阻挡 SOH 压缩，但 POH 本身不压缩，仍需容量上限和生命周期控制。PinnedObjectsCount 只记录本轮 GC 观察到的数量，不能单独描述 pin 时长、尺寸或位置。

// 生命周期内固定：对象进入 POH，地址稳定，但仍受可达性管理。
byte[] transportBuffer = GC.AllocateArray<byte>(64 * 1024, pinned: true);
 
// 临时 fixed：离开作用域后不再要求地址稳定。
fixed (byte* pointer = temporaryBuffer)
{
    NativeApi.Send(pointer, temporaryBuffer.Length);
}

不要为了“减少 pin 次数”把所有缓冲永久放 POH。长期保留会抬高工作集，且不可压缩区域的内部碎片只能靠释放和 free-list 复用处理。

代边界怎样参与规划与晋升

一次 Gen 0/1 回收只计划覆盖范围内的对象，但 survivor 可能晋升，新的代边界必须落在有效对象边界上。计划阶段据存活布局更新各代起点、allocation pointer 与 segment 状态；不能把一半对象划到 Gen 1、另一半仍当 Gen 0，也不能让目标区越过不参与本次回收的稳定老代范围。

Pinned survivor 可能迫使运行时保留特殊边界或出现 demotion 等内部处理，以维持“对象地址不变”和“分代范围可枚举”两个不变量。应用层不应依赖一次 pin 后 GC.GetGeneration 必然怎样变化；应关心 pin 是否扩大碎片、晋升和暂停。

LOH 在逻辑上随 Gen 2 回收，默认主要依靠 sweep/free list；显式 CompactOnce、硬内存限制或运行时策略可能让某次完整阻塞回收包含 LOH 压缩。POH 则是不可移动 heap。把三者混成“Gen 2 都会压缩”会得出错误容量结论。

碎片成本不能只看一个百分比

10 MB 空洞若集中成一个连续块，可能很有用；同样 10 MB 分成数万个小洞，对 1 MB 数组请求几乎无帮助。反过来，小洞仍可服务相近尺寸对象。诊断必须把 FragmentedBytes 与对象/空洞尺寸、segment committed、LOH/POH、分配失败重试和工作集放在同一窗口。

GCMemoryInfo 可提供上一轮回收的 compacted、concurrent、pinned count 和各代前后 size/fragmentation。它适合确认“这次是否压缩、哪一代碎片改变”，但不直接给出每个 pin 的来源；第 15 章会用诊断 API/ClrMD 深挖句柄和对象布局。

GCMemoryInfo info = GC.GetGCMemoryInfo();
Console.WriteLine($"Generation: {info.Generation}");
Console.WriteLine($"Compacted: {info.Compacted}, Concurrent: {info.Concurrent}");
Console.WriteLine($"Pinned objects observed: {info.PinnedObjectsCount}");
Console.WriteLine($"Total fragmentation: {info.FragmentedBytes:n0} B");
 
for (int generation = 0; generation < info.GenerationInfo.Length; generation++)
{
    GCGenerationInfo item = info.GenerationInfo[generation];
    Console.WriteLine($"G{generation}: frag {item.FragmentationBeforeBytes:n0} -> {item.FragmentationAfterBytes:n0}");
}

三步验证计划阶段假设

小结

• Plan Phase 以 mark/pin 结果为输入，选择 sweep 或 compact 并计算布局，此时尚未搬动对象
• 连续存活对象组成 plug，前置 dead/free 区间是 gap；一个 plug 位移即可推导内部所有对象的新地址
• 压缩换取连续 free tail 与快分配，却要复制存活字节并更新引用；清扫少搬运但保留碎片和 free-list 成本
• Pinned object 是固定锚点，不必阻止整段规划，却会切断移动区间并留下难以合并的小洞
• 碎片成本由数量、尺寸、位置、heap kind 与未来请求共同决定；Compacted/FragmentedBytes 需要与事件、布局和业务延迟联合解释

名词解释