作為.NET進階內容的一部分，垃圾回收器(簡稱GC)是必須了解的內容。本着“通俗易懂”的原則，本文將解釋CLR中垃圾回收器的工作原理。
基礎知識
托管堆(Managed Heap)
先來看MSDN的解釋：初始化新進程時，運行時會為進程保留一個連續的地址空間區域。這個保留的地址空間被稱為托管堆。
"托管堆也是堆"，為什么這樣說呢？這么說是希望大家不要被“術語”迷惑，這個知識點的前提是“值類型和引用類型的區別”。這里假設讀者已經知道“值類型存儲在棧中，引用類型存儲在堆中。(引用類型的引用存儲在棧中)”這一重要概念。所以，根據這個理論，除值類型外，CLR要求所有資源都從托管堆分配。
托管堆維護着一個指針，這里命名為NextObjPtr，它指向下一個對象在堆中的分配位置。
CPU寄存器(CPU Register)
這個是計算機基礎知識，這里復習一下，有助於對下面“根”概念的理解。
CPU寄存器是CPU自己的"臨時存儲器",比內存的存取還快。按與CPU遠近來分，離得最近的是寄存器，然后緩存(計算機一、二、三級緩存)，最后內存。
根(Roots)
類中定義的任何靜態字段，方法的參數，局部變量(僅限引用類型變量)等都是根，另外cpu寄存器中的對象指針也是根。根是CLR在堆之外可以找到的各種入口點。
對象可達與不可達(Objects reachable and unreachable)
如果一個根引用了堆中的一個對象，則該對象為“可達”，否則即是“不可達”。
垃圾回收的原因
從計算機組成的角度來講，所有的程序都是要駐留在內存中運行的。而內存是一個限制因素(大小)。除此之外，托管堆也有大小限制。如果托管堆沒有大小限制，那C#的執行速度要優於c了(托管堆的結構讓它有比c運行時堆更快的對象分配速度)。因為地址空間和存儲的限制因素，托管堆要通過垃圾回收機制，來維持它的正常運作，保證對象的分配，不會“內存溢出”。
垃圾回收的基本原理
回收分為兩個階段： 標記 --> 壓縮
標記的過程，其實就是判斷對象是否可達的過程。當所有的根都檢查完畢后，堆中將包含可達(已標記)與不可達(未標記)對象。
標記完成后，進入壓縮階段。在這個階段中，垃圾回收器線性的遍歷堆，以尋找不可達對象的連續內存塊。並把可達對象移動到這里以壓縮堆。這個過程有點類似於磁盤空間的碎片整理。
如上圖所示，綠色框表示可達對象，黃色框為不可達對象。不可達對象清除后，移動可達對象實現內存壓縮(變得更緊湊)。
壓縮之后，“指向這些對象的指針”的變量和CPU寄存器現在都會失效，垃圾回收器必須重新訪問所有根，並修改它們來指向對象的新內存位置。這會造成顯著的性能損失。這個損失也是托管堆的主要缺點。
基於以上特點，垃圾回收引發的回收算法也是一項研究課題。因為如果真等到托管堆滿才開始執行垃圾回收，那就真的太“慢”了。
垃圾回收算法 - 分代(Generation)算法
代是CLR垃圾回收器采用的一種機制，它唯一的目的就是提升應用程序的性能。分代回收，速度顯然快於回收整個堆。
CLR托管堆支持3代：第0代，第1代，第2代。第0代的空間約為256KB，第1代約為2M，第2代約為10M。新構造的對象會被分配到第0代，
如上圖所示，當第0代的空間滿時，垃圾回收器啟動回收，不可達對象(上圖C、E)會被回收，存活的對象被歸為第1代。
當第0代空間已滿，第1代也開始有很多不可達對象以至空間將滿時，這時兩代垃圾都將被回收。存活下來的對象(可達對象)，第0代升為第1代，第1代升為第2代。
實際CLR的代回收機制更加“智能”，如果新創建的對象生存周期很短，第0代垃圾也會立刻被垃圾回收器回收(不用等空間分配滿)。另外，如果回收了第0代，發現還有很多對象“可達”，
並沒有釋放多少內存，就會增大第0代的預算至512KB，回收效果就會轉變為：垃圾回收的次數將減少，但每次都會回收大量的內存。如果還沒有釋放多少內存，垃圾回收器將執行
完全回收(3代)，如果還是不夠，則會拋出“內存溢出”異常。
也就是說，垃圾回收器會根據回收內存的大小，動態的調整每一代的分配空間預算！達到自動優化！
總結
垃圾回收背后有這樣一個基本的觀念：編程語言(大多數的)似乎總能訪問無限的內存。而開發者可以一直分配、分配再分配——像魔法一樣，取之不盡用之不竭。
.NET垃圾回收器的基本工作原理是：通過最基本的標記清除原理，清除不可達對象；再像磁盤碎片整理一樣壓縮、整理可用內存；最后通過分代算法實現性能最優化。
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