我们在开发过程中曾经遇到过一个奇怪的问题：当软件加载了很多比较大规模的数据后，会偶尔出现OutOfMemoryException异常，但通过内存检查工具却发现还有很多可用内存。于是我们怀疑是可用内存总量充足，但却没有足够的连续内存了——也就是说存在很多未分配的内存空隙。但不是说.NET运行时的垃圾收集器会压缩使用中的内存，从而使已经释放的内存空隙连成一片吗？于是我深入研究了一下垃圾回收相关的内容，最终明确的了问题所在——大对象堆（LOH）的使用。如果你也遇到过类似的问题或者对相关的细节有兴趣的话，就继续读读吧。
如果没有特殊说明，后面的叙述都是针对32位系统。
首先我们来探讨另外一个问题：不考虑非托管内存的使用，在最坏情况下，当系统出现OutOfMemoryException异常时，有效的内存（程序中有GC Root的对象所占用的内存）使用量会是多大呢？2G？ 1G？ 500M？ 50M？或者更小（是不是以为我在开玩笑）？来看下面这段代码（参考 https://www.simple-talk.com/dotnet/.net-framework/the-dangers-of-the-large-object-heap/）。
1 public class Program
2 {
3 static void Main(string[] args)
4 {
5 var smallBlockSize = 90000;
6 var largeBlockSize = 1 << 24;
7 var count = 0;
8 var bigBlock = new byte[0];
9 try
10 {
11 var smallBlocks = new List<byte[]>();
12 while (true)
13 {
14 GC.Collect();
15 bigBlock = new byte[largeBlockSize];
16 largeBlockSize++;
17 smallBlocks.Add(new byte[smallBlockSize]);
18 count++;
19 }
20 }
21 catch (OutOfMemoryException)
22 {
23 bigBlock = null;
24 GC.Collect();
25 Console.WriteLine("{0} Mb allocated",
26 (count * smallBlockSize) / (1024 * 1024));
27 }
28
29 Console.ReadLine();
30 }
31 }
这段代码不断的交替分配一个较小的数组和一个较大的数组，其中较小数组的大小为90, 000字节，而较大数组的大小从16M字节开始，每次增加一个字节。如代码第15行所示，在每一次循环中bigBlock都会引用新分配的大数组，从而使之前的大数组变成可以被垃圾回收的对象。在发生OutOfMemoryException时，实际上代码会有count个小数组和一个大小为 16M + count 的大数组处于有效状态。最后代码输出了异常发生时小数组所占用的内存总量。
下面是在我的机器上的运行结果——和你的预测有多大差别？提醒一下，如果你要亲自测试这段代码，而你的机器是64位的话，一定要把生成目标改为x86。
23 Mb allocated
考虑到32位程序有2G的可用内存，这里实现的使用率只有1%！
下面即介绍个中原因。需要说明的是，我只是想以最简单的方式阐明问题，所以有些语言可能并不精确，可以参考http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc534993.aspx以获得更详细的说明。
.NET的垃圾回收机制基于“Generation”的概念，并且一共有G0, G1, G2三个Generation。一般情况下，每个新创建的对象都属于于G0，对象每经历一次垃圾回收过程而未被回收时，就会进入下一个Generation（G0 -> G1 -> G2），但如果对象已经处于G2，则它仍然会处于G2中。
软件开始运行时，运行时会为每一个Generation预留一块连续的内存（这样说并不严格，但不影响此问题的描述），同时会保持一个指向此内存区域中尚未使用部分的指针P，当需要为对象分配空间时，直接返回P所在的地址，并将P做相应的调整即可，如下图所示。【顺便说一句，也正是因为这一技术，在.NET中创建一个对象要比在C或C++的堆中创建对象要快很多——当然，是在后者不使用额外的内存管理模块的情况下。】
在对某个Generation进行垃圾回收时，运行时会先标记所有可以从有效引用到达的对象，然后压缩内存空间，将有效对象集中到一起，而合并已回收的对象占用的空间，如下图所示。
但是，问题就出在上面特别标出的“一般情况”之外。.NET会将对象分成两种情况区别对象，一种是大小小于85, 000字节的对象，称之为小对象，它就对应于前面描述的一般情况；另外一种是大小在85, 000之上的对象，称之为大对象，就是它造成了前面示例代码中内存使用率的问题。在.NET中，所有大对象都是分配在另外一个特别的连续内存（LOH, Large Object Heap）中的，而且，每个大对象在创建时即属于G2，也就是说只有在进行Generation 2的垃圾回收时，才会处理LOH。而且在对LOH进行垃圾回收时不会压缩内存！更进一步，LOH上空间的使用方式也很特殊——当分配一个大对象时，运行时会优先尝试在LOH的尾部进行分配，如果尾部空间不足，就会尝试向操作系统请求更多的内存空间，只有在这一步也失败时，才会重新搜索之前无效对象留下的内存空隙。如下图所示：
从上到下看
- LOH中已经存在一个大小为85K的对象和一个大小为16M对象，当需要分配另外一个大小为85K的对象时，会在尾部分配空间；
- 此时发生了一次垃圾回收，大小为16M的对象被回收，其占用的空间为未使用状态，但运行时并没有对LOH进行压缩；
- 此时再分配一个大小为16.1M的对象时，分尝试在LOH尾部分配，但尾部空间不足。所以，
- 运行时向操作系统请求额外的内存，并将对象分配在尾部；
- 此时如果再需要分配一个大小为85K的对象，则优先使用尾部的空间。
所以前面的示例代码会造成LOH变成下面这个样子，当最后要分配16M + N的内存时，因为前面已经没有任何一块连续区域满足要求时，所以就会引发OutOfMemoryExceptiojn异常。
要解决这一问题其实并不容易，但可以考虑下面的策略。
- 将比较大的对象分割成较小的对象，使每个小对象大小小于85, 000字节，从而不再分配在LOH上；
- 尽量“重用”少量的大对象，而不是分配很多大对象；
- 每隔一段时间就重启一下程序。
最终我们发现，我们的软件中使用数组（List<float>）保存了一些曲线数据，而这些曲线的大小很可能会超过了85, 000字节，同时曲线对象的个数也非常多，从而对LOH造成了很大的压力，甚至出现了文章开头所描述的情况。针对这一情况，我们采用了策略1的方法，定义了一个类似C++中deque的数据结构，它以分块内存的方式存储数据，而且保证每一块的大小都小于85, 000，从而解决了这一问题。
此外要说的是，不要以为64位环境中可以忽略这一问题。虽然64位环境下有更大的内存空间，但对于操作系统来说，.NET中的LOH会提交很大范围的内存区域，所以当存在大量的内存空隙时，即使不会出现OutOfMemoryException异常，也会使得内页页面交换的频率不断上升，从而使软件运行的越来越慢。
最后分享我们定义的分块列表，它对IList<T>接口的实现行为与List<T>相同，代码中只给出了比较重要的几个方法。
1 public class BlockList<T> : IList<T>
2 {
3 private static int maxAllocSize;
4 private static int initAllocSize;
5 private T[][] blocks;
6 private int blockCount;
7 private int[] blockSizes;
8 private int version;
9 private int countCache;
10 private int countCacheVersion;
11
12 static BlockList()
13 {
14 var type = typeof(T);
15 var size = type.IsValueType ? Marshal.SizeOf(default(T)) : IntPtr.Size;
16 maxAllocSize = 80000 / size;
17 initAllocSize = 8;
18 }
19
20 public BlockList()
21 {
22 blocks = new T[8][];
23 blockSizes = new int[8];
24 blockCount = 0;
25 }
26
27 public void Add(T item)
28 {
29 int blockId = 0, blockSize = 0;
30 if (blockCount == 0)
31 {
32 UseNewBlock();
33 }
34 else
35 {
36 blockId = blockCount - 1;
37 blockSize = blockSizes[blockId];
38 if (blockSize == blocks[blockId].Length)
39 {
40 if (!ExpandBlock(blockId))
41 {
42 UseNewBlock();
43 ++blockId;
44 blockSize = 0;
45 }
46 }
47 }
48
49 blocks[blockId][blockSize] = item;
50 ++blockSizes[blockId];
51 ++version;
52 }
53
54 public void Insert(int index, T item)
55 {
56 if (index > Count)
57 {
58 throw new ArgumentOutOfRangeException("index");
59 }
60
61 if (blockCount == 0)
62 {
63 UseNewBlock();
64 blocks[0][0] = item;
65 blockSizes[0] = 1;
66 ++version;
67 return;
68 }
69
70 for (int i = 0; i < blockCount; ++i)
71 {
72 if (index >= blockSizes[i])
73 {
74 index -= blockSizes[i];
75 continue;
76 }
77
78 if (blockSizes[i] < blocks[i].Length || ExpandBlock(i))
79 {
80 for (var j = blockSizes[i]; j > index; --j)
81 {
82 blocks[i][j] = blocks[i][j - 1];
83 }
84
85 blocks[i][index] = item;
86 ++blockSizes[i];
87 break;
88 }
89
90 if (i == blockCount - 1)
91 {
92 UseNewBlock();
93 }
94
95 if (blockSizes[i + 1] == blocks[i + 1].Length
96 && !ExpandBlock(i + 1))
97 {
98 UseNewBlock();
99 var newBlock = blocks[blockCount - 1];
100 for (int j = blockCount - 1; j > i + 1; --j)
101 {
102 blocks[j] = blocks[j - 1];
103 blockSizes[j] = blockSizes[j - 1];
104 }
105
106 blocks[i + 1] = newBlock;
107 blockSizes[i + 1] = 0;
108 }
109
110 var nextBlock = blocks[i + 1];
111 var nextBlockSize = blockSizes[i + 1];
112 for (var j = nextBlockSize; j > 0; --j)
113 {
114 nextBlock[j] = nextBlock[j - 1];
115 }
116
117 nextBlock[0] = blocks[i][blockSizes[i] - 1];
118 ++blockSizes[i + 1];
119
120 for (var j = blockSizes[i] - 1; j > index; --j)
121 {
122 blocks[i][j] = blocks[i][j - 1];
123 }
124
125 blocks[i][index] = item;
126 break;
127 }
128
129 ++version;
130 }
131
132 public void RemoveAt(int index)
133 {
134 if (index < 0 || index >= Count)
135 {
136 throw new ArgumentOutOfRangeException("index");
137 }
138
139 for (int i = 0; i < blockCount; ++i)
140 {
141 if (index >= blockSizes[i])
142 {
143 index -= blockSizes[i];
144 continue;
145 }
146
147 if (blockSizes[i] == 1)
148 {
149 for (int j = i + 1; j < blockCount; ++j)
150 {
151 blocks[j - 1] = blocks[j];
152 blockSizes[j - 1] = blockSizes[j];
153 }
154
155 blocks[blockCount - 1] = null;
156 blockSizes[blockCount - 1] = 0;
157 --blockCount;
158 }
159 else
160 {
161 for (int j = index + 1; j < blockSizes[i]; ++j)
162 {
163 blocks[i][j - 1] = blocks[i][j];
164 }
165
166 blocks[i][blockSizes[i] - 1] = default(T);
167 --blockSizes[i];
168 }
169
170 break;
171 }
172
173 ++version;
174 }
175
176 private bool ExpandBlock(int blockId)
177 {
178 var length = blocks[blockId].Length;
179 if (length == maxAllocSize)
180 {
181 return false;
182 }
183
184 length = Math.Min(length * 2, maxAllocSize);
185 Array.Resize(ref blocks[blockId], length);
186 return true;
187 }
188
189 private void UseNewBlock()
190 {
191 if (blockCount == blocks.Length)
192 {
193 Array.Resize(ref blocks, blockCount * 2);
194 Array.Resize(ref blockSizes, blockCount * 2);
195 }
196
197 blocks[blockCount] = new T[initAllocSize];
198 blockSizes[blockCount] = 0;
199 ++blockCount;
200 }
201 }