1. مفهوم Garbage Collection (GC)

Garbage Collection یک فرآیند خودکار مدیریت حافظه است که هدف آن بازپس‌گیری حافظه‌ای است که دیگر توسط برنامه مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. در C#، این فرآیند توسط Common Language Runtime (CLR) انجام می‌شود. به جای اینکه برنامه‌نویس به طور صریح حافظه را تخصیص و آزاد کند، CLR به طور خودکار اشیایی را که دیگر قابل دسترسی نیستند شناسایی کرده و حافظه اشغال شده توسط آنها را به سیستم بازمی‌گرداند. این کار به جلوگیری از نشت حافظه کمک می‌کند و فرآیند توسعه را ساده‌تر می‌سازد.

2. چرا به Garbage Collection نیاز داریم؟

بدون Garbage Collection، برنامه‌نویسان مجبور بودند به دقت هر بایت از حافظه را که تخصیص می‌دهند، ردیابی کرده و در زمان مناسب آن را آزاد کنند. این کار مستلزم دقت بسیار بالایی است و در پروژه‌های بزرگ و پیچیده، به راحتی می‌تواند منجر به خطاهای دشوار برای ردیابی و رفع شود. نشت حافظه می‌تواند باعث کاهش تدریجی کارایی برنامه و در نهایت از کار افتادن آن شود، در حالی که آزادسازی زودهنگام یا دسترسی به حافظه آزاد شده می‌تواند به خرابی‌های ناگهانی برنامه و مشکلات امنیتی منجر شود. Garbage Collection این مشکلات را با خودکارسازی فرآیند مدیریت حافظه حل می‌کند و به برنامه‌نویس اجازه می‌دهد تا روی منطق تجاری برنامه تمرکز کند.

3. نحوه عملکرد Garbage Collection در C#

GC در C# یک فرآیند پیچیده است که به صورت دوره‌ای اجرا می‌شود. به طور کلی، فرآیند GC شامل سه مرحله اصلی است:

• مرحله 1: علامت‌گذاری (Marking): در این مرحله، GC تمام اشیایی را که از ریشه‌های برنامه (مانند متغیرهای سراسری، متغیرهای محلی در پشته و رجیسترهای CPU) قابل دسترسی هستند، شناسایی می‌کند. این اشیاء به عنوان اشیاء "زنده" (Live Objects) علامت‌گذاری می‌شوند. GC از یک الگوریتم پیمایش گراف (مانند DFS یا BFS) برای پیدا کردن تمام اشیایی که به طور مستقیم یا غیرمستقیم از ریشه‌ها قابل دسترسی هستند، استفاده می‌کند.

• مرحله 2: فشرده‌سازی (Compacting): پس از علامت‌گذاری اشیاء زنده، GC تمام اشیاء مرده (Dead Objects) را که علامت‌گذاری نشده‌اند، شناسایی می‌کند. سپس، اشیاء زنده را به هم فشرده می‌کند و آنها را به سمت ابتدای Heap حرکت می‌دهد. این کار باعث از بین رفتن فضاهای خالی (Fragmentation) بین اشیاء زنده می‌شود و حافظه پیوسته و بزرگ‌تری را برای تخصیص اشیاء جدید فراهم می‌کند. فشرده‌سازی برای بهبود کارایی تخصیص حافظه در آینده بسیار مهم است.

• مرحله 3: پاکسازی (Sweeping): در این مرحله نهایی، GC فضایی را که توسط اشیاء مرده اشغال شده بود، به لیست حافظه آزاد (Free List) برمی‌گرداند. این فضا سپس برای تخصیص اشیاء جدید در آینده در دسترس قرار می‌گیرد.

4. مفهوم نسل‌ها (Generations) در Garbage Collection

GC در C# از یک رویکرد نسلی (Generational Approach) برای بهینه‌سازی عملکرد خود استفاده می‌کند. این رویکرد بر این فرضیه استوار است که:

• اکثر اشیایی که تازه تخصیص می‌یابند، طول عمر کوتاهی دارند و به سرعت "مرده" می‌شوند.

• اشیایی که طول عمر طولانی‌تری دارند، تمایل به ماندن برای مدت زمان طولانی‌تری دارند.

بر اساس این فرضیه، Heap به سه نسل (Generations) تقسیم می‌شود:

• نسل 0 (Generation 0): این نسل شامل اشیایی است که تازه تخصیص یافته‌اند. GC معمولاً ابتدا نسل 0 را پاکسازی می‌کند، زیرا این نسل دارای بیشترین تعداد اشیاء مرده با طول عمر کوتاه است. پاکسازی نسل 0 سریع‌تر از پاکسازی نسل‌های دیگر است.

• نسل 1 (Generation 1): اشیایی که از یک دور پاکسازی نسل 0 جان سالم به در می‌برند، به نسل 1 منتقل می‌شوند. این نسل به عنوان یک بافر بین نسل 0 و نسل 2 عمل می‌کند.

• نسل 2 (Generation 2): اشیایی که از یک دور پاکسازی نسل 1 جان سالم به در می‌برند، به نسل 2 منتقل می‌شوند. این نسل شامل اشیایی است که طول عمر طولانی دارند. GC نسل 2 کمتر از نسل‌های دیگر پاکسازی می‌شود و پاکسازی آن زمان‌برتر است.

مزیت اصلی رویکرد نسلی این است که GC نیازی به بررسی تمام اشیاء در هر بار اجرا ندارد. با تمرکز بر نسل 0، که حاوی بیشترین تعداد اشیاء مرده است، GC می‌تواند به طور کارآمدتری حافظه را بازپس‌گیرد و تأخیر (Pause Time) کمتری را در اجرای برنامه ایجاد کند.

5. تخصیص حافظه در #C

هنگامی که یک شیء جدید در C# ایجاد می‌شود (با استفاده از کلمه کلیدی new)، CLR حافظه را برای آن شیء در Heap تخصیص می‌دهد. این تخصیص در نسل 0 انجام می‌شود. تخصیص حافظه در Heap CLR بسیار سریع است و تقریباً به سرعت تخصیص حافظه در پشته (Stack) انجام می‌شود، زیرا تنها شامل حرکت یک اشاره‌گر (Pointer) است.

6. فرآیند فراخوانی Garbage Collector

GC به صورت خودکار اجرا می‌شود و برنامه‌نویس معمولاً نیازی به فراخوانی صریح آن ندارد. با این حال، GC در شرایط خاصی فعال می‌شود:

• زمانی که حافظه کافی برای تخصیص یک شیء جدید وجود ندارد: این رایج‌ترین دلیل برای فعال شدن GC است.

• زمانی که آستانه (Threshold) برای یک نسل خاص پر می‌شود: CLR دارای آستانه‌هایی برای هر نسل است. هنگامی که میزان حافظه اشغال شده توسط اشیاء در یک نسل از این آستانه فراتر رود، GC برای آن نسل فعال می‌شود.

• فراخوانی صریح توسط برنامه‌نویس (با GC.Collect()): این روش توصیه نمی‌شود، زیرا می‌تواند کارایی برنامه را کاهش دهد. فراخوانی GC.Collect() باعث می‌شود که GC بدون توجه به وضعیت فعلی حافظه و نیازهای برنامه، اجرا شود و می‌تواند منجر به توقف‌های ناخواسته در اجرای برنامه شود.

7. تأثیر Garbage Collection بر کارایی

در حالی که GC فرآیند مدیریت حافظه را ساده می‌کند، اما می‌تواند تأثیراتی بر کارایی برنامه داشته باشد. هنگامی که GC فعال می‌شود، اجرای برنامه به طور موقت متوقف می‌شود تا GC بتواند فرآیند علامت‌گذاری، فشرده‌سازی و پاکسازی را انجام دهد. این توقف‌ها که به آنها "Pause Times" گفته می‌شود، می‌توانند در برنامه‌های حساس به تأخیر (Latency-sensitive applications) مشکل‌ساز باشند.

با این حال، CLR و GC به طور مداوم در حال بهینه‌سازی هستند تا این تأثیرات را به حداقل برسانند. استفاده از رویکرد نسلی و الگوریتم‌های پیشرفته، باعث کاهش مدت زمان Pause Times شده است. در بسیاری از موارد، تأثیر GC بر کارایی قابل چشم‌پوشی است و مزایای آن بر معایبش غلبه می‌کند.

8. الگوهای طراحی برای بهبود عملکرد GC

برای به حداقل رساندن تأثیر GC بر کارایی برنامه، می‌توان از الگوهای طراحی و روش‌های کدنویسی زیر استفاده کرد:

• کاهش تخصیص اشیاء موقت: ایجاد تعداد زیادی اشیاء با طول عمر کوتاه در حلقه‌ها یا متدهای پرکاربرد می‌تواند باعث فعال شدن مکرر GC شود. سعی کنید تا حد امکان از تخصیص اشیاء جدید در این بخش‌ها اجتناب کنید. از ساختارهای داده‌ای که می‌توانند مجدداً استفاده شوند (مانند StringBuilder به جای concatenation رشته‌ای) استفاده کنید.

• استفاده از struct برای اشیاء کوچک و موقت: structها (ساختارهای مقداری) در پشته (Stack) تخصیص می‌یابند (مگر اینکه به عنوان عضوی از یک کلاس باشند) و GC نیازی به مدیریت آنها ندارد. برای اشیاء کوچک و موقت که نیازی به رفتار ارث‌بری یا polymorphism ندارند، استفاده از struct می‌تواند کارایی را بهبود بخشد.

• پولینگ اشیاء (Object Pooling): برای اشیایی که ایجاد آنها پرهزینه است و به طور مکرر مورد استفاده قرار می‌گیرند، می‌توانید از الگوی پولینگ اشیاء استفاده کنید. به جای ایجاد و از بین بردن مکرر اشیاء، آنها را در یک پول (مجموعه) نگهداری کرده و در صورت نیاز از آنجا دریافت و پس از استفاده به پول بازگردانید. این کار می‌تواند تعداد تخصیص‌ها و پاکسازی‌های GC را به شدت کاهش دهد.

• پرهیز از Weak References غیرضروری: Weak References به GC اجازه می‌دهند تا اشیاء را حتی اگر هنوز توسط Weak Reference به آنها اشاره می‌شود، پاکسازی کند. استفاده بی‌مورد از Weak References می‌تواند منطق برنامه را پیچیده کند و در برخی موارد منجر به از دست رفتن غیرمنتظره اشیاء شود.

• اجتناب از Finalizers غیرضروری: Finalizers (متدهای ~ClassName()) کدی هستند که قبل از پاکسازی یک شیء توسط GC اجرا می‌شوند. این متدها معمولاً برای آزادسازی منابع سیستمی غیرمدیریتی (مانند دستگیره‌های فایل، اتصال به پایگاه داده) استفاده می‌شوند. استفاده از Finalizers پرهزینه است زیرا GC باید آنها را در یک صف جداگانه قرار دهد و اجرای آنها باعث تأخیر در پاکسازی حافظه می‌شود. بهتر است از الگوی IDisposable برای مدیریت منابع غیرمدیریتی استفاده کنید.

9. مدیریت منابع غیرمدیریتی (Unmanaged Resources)

همانطور که ذکر شد، GC مسئول مدیریت حافظه برای اشیاء managed (که توسط CLR مدیریت می‌شوند) است. اما برخی منابع، مانند دستگیره‌های فایل، اتصال به پایگاه داده، سوکت‌های شبکه و اشاره‌گرهای به حافظه Native، منابع غیرمدیریتی (Unmanaged Resources) هستند. GC هیچ اطلاعی از این منابع ندارد و نمی‌تواند آنها را آزاد کند.

برای مدیریت صحیح منابع غیرمدیریتی، C# الگوی IDisposable و کلمه کلیدی using را ارائه می‌دهد:

• رابط IDisposable: اشیائی که منابع غیرمدیریتی را نگه می‌دارند، باید این رابط را پیاده‌سازی کنند. این رابط یک متد به نام Dispose() دارد که مسئول آزادسازی منابع غیرمدیریتی است.

• کلمه کلیدی using: این کلمه کلیدی یک بلوک کد را تعریف می‌کند که در پایان آن، متد Dispose() شیء به طور خودکار فراخوانی می‌شود، حتی اگر یک استثنا رخ دهد. این کار تضمین می‌کند که منابع غیرمدیریتی به درستی آزاد می‌شوند.

مثال استفاده از using:

using System.IO;

public class MyClass
{
    public void ReadFile(string filePath)
    {
        // 'using' تضمین می کند که stream.Dispose() در پایان بلوک فراخوانی می شود.
        using (FileStream stream = new FileStream(filePath, FileMode.Open))
        {
            // عملیات خواندن فایل
            // ...
        } // stream.Dispose() در اینجا به طور خودکار فراخوانی می شود
    }
}

10. تفاوت بین Stack و Heap در مدیریت حافظه C#

برای درک کامل مدیریت حافظه در C#، تمایز بین Stack و Heap بسیار مهم است:

• Stack (پشته):

  • برای ذخیره value types (مانند int, double, bool, struct) و اشاره‌گرها به اشیاء در Heap استفاده می‌شود.

  • حافظه به صورت LIFO (Last-In, First-Out) تخصیص و آزاد می‌شود.

  • تخصیص و آزادسازی حافظه بسیار سریع است.

  • مدیریت حافظه به صورت خودکار و توسط سیستم انجام می‌شود و نیازی به GC ندارد.

  • طول عمر متغیرهای پشته محدود به scope (بلوک کد) آنها است.

• Heap (هیپ):

  • برای ذخیره reference types (مانند class, string, array, delegate) استفاده می‌شود.

  • حافظه به صورت پویا و بر اساس نیاز برنامه تخصیص داده می‌شود.

  • تخصیص حافظه نسبتاً سریع است، اما آزادسازی آن توسط GC انجام می‌شود که می‌تواند زمان‌بر باشد.

  • مدیریت حافظه توسط Garbage Collector انجام می‌شود.

  • طول عمر اشیاء در Heap می‌تواند طولانی‌تر از scope ایجاد کننده آنها باشد و تا زمانی که هیچ رفرنسی به آنها وجود نداشته باشد، در حافظه باقی می‌مانند.

نتیجه‌گیری

Garbage Collection یک ویژگی قدرتمند و اساسی در C# است که پیچیدگی‌های مدیریت حافظه را از برنامه‌نویس پنهان می‌کند. با خودکارسازی فرآیند شناسایی و آزادسازی حافظه استفاده نشده، GC به جلوگیری از نشت حافظه و افزایش پایداری برنامه کمک می‌کند. با درک نحوه عملکرد GC، رویکرد نسلی، و تفاوت بین Stack و Heap، برنامه‌نویسان می‌توانند کدهای بهینه‌تر و کارآمدتری بنویسند. همچنین، مدیریت صحیح منابع غیرمدیریتی با استفاده از IDisposable و using برای اطمینان از آزادسازی به موقع این منابع بسیار حیاتی است. در نهایت، تمرکز بر کاهش تخصیص اشیاء موقت و استفاده از الگوهای طراحی مناسب می‌تواند به بهبود عملکرد کلی برنامه‌های C# و کاهش تأثیرات احتمالی GC بر کارایی کمک شایانی کند.