我們在開發過程中曾經遇到過一個奇怪的問題：當軟件加載了很多比較大規模的數據后，會偶爾出現OutOfMemoryException異常，但通過內存檢查工具卻發現還有很多可用內存。于是我們懷疑是可用內存總量充足，但卻沒有足夠的連續內存了——也就是說存在很多未分配的內存空隙。但不是說.NET運行時的垃圾收集器會壓縮使用中的內存，從而使已經釋放的內存空隙連成一片嗎？于是我深入研究了一下垃圾回收相關的內容，最終明確的了問題所在——大對象堆（LOH）的使用。如果你也遇到過類似的問題或者對相關的細節有興趣的話，就繼續讀讀吧。

如果沒有特殊說明，后面的敘述都是針對32位系統。

首先我們來探討另外一個問題：不考慮非托管內存的使用，在最壞情況下，當系統出現OutOfMemoryException異常時，有效的內存（程序中有GC Root的對象所占用的內存）使用量會是多大呢？2G？ 1G？ 500M？ 50M？或者更小（是不是以為我在開玩笑）？來看下面這段代碼（參考 https://www.simple-talk.com/dotnet/.net-framework/the-dangers-of-the-large-object-heap/）。

public class Program  
 {  
     static void Main(string[] args)  
     {  
         var smallBlockSize = 90000;  
         var largeBlockSize = 1 << 24;  
         var count = 0;  
         var bigBlock = new byte[0];  
         try 
         {  
             var smallBlocks = new List<byte[]>();  
             while (true)  
             {  
                 GC.Collect();  
                 bigBlock = new byte[largeBlockSize];  
                 largeBlockSize++;  
                 smallBlocks.Add(new byte[smallBlockSize]);  
                 count++;  
             }  
         }  
         catch (OutOfMemoryException)  
         {  
             bigBlock = null;  
             GC.Collect();  
             Console.WriteLine("{0} Mb allocated",   
                 (count * smallBlockSize) / (1024 * 1024));  
         }  
           
         Console.ReadLine();  
     }  
 } 

這段代碼不斷的交替分配一個較小的數組和一個較大的數組，其中較小數組的大小為90, 000字節，而較大數組的大小從16M字節開始，每次增加一個字節。如代碼第15行所示，在每一次循環中bigBlock都會引用新分配的大數組，從而使之前的大數組變成可以被垃圾回收的對象。在發生OutOfMemoryException時，實際上代碼會有count個小數組和一個大小為 16M + count 的大數組處于有效狀態。最后代碼輸出了異常發生時小數組所占用的內存總量。

下面是在我的機器上的運行結果——和你的預測有多大差別？提醒一下，如果你要親自測試這段代碼，而你的機器是64位的話，一定要把生成目標改為x86。

23 Mb allocated 

考慮到32位程序有2G的可用內存，這里實現的使用率只有1%！

下面即介紹個中原因。需要說明的是，我只是想以最簡單的方式闡明問題，所以有些語言可能并不精確，可以參考http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc534993.aspx以獲得更詳細的說明。

.NET的垃圾回收機制基于“Generation”的概念，并且一共有G0, G1, G2三個Generation。一般情況下，每個新創建的對象都屬于于G0，對象每經歷一次垃圾回收過程而未被回收時，就會進入下一個Generation（G0 -> G1 -> G2），但如果對象已經處于G2，則它仍然會處于G2中。

軟件開始運行時，運行時會為每一個Generation預留一塊連續的內存（這樣說并不嚴格，但不影響此問題的描述），同時會保持一個指向此內存區域中尚未使用部分的指針P，當需要為對象分配空間時，直接返回P所在的地址，并將P做相應的調整即可，如下圖所示。【順便說一句，也正是因為這一技術，在.NET中創建一個對象要比在C或C++的堆中創建對象要快很多——當然，是在后者不使用額外的內存管理模塊的情況下。】

在對某個Generation進行垃圾回收時，運行時會先標記所有可以從有效引用到達的對象，然后壓縮內存空間，將有效對象集中到一起，而合并已回收的對象占用的空間，如下圖所示。

但是，問題就出在上面特別標出的“一般情況”之外。.NET會將對象分成兩種情況區別對象，一種是大小小于85, 000字節的對象，稱之為小對象，它就對應于前面描述的一般情況；另外一種是大小在85, 000之上的對象，稱之為大對象，就是它造成了前面示例代碼中內存使用率的問題。在.NET中，所有大對象都是分配在另外一個特別的連續內存（LOH, Large Object Heap）中的，而且，每個大對象在創建時即屬于G2，也就是說只有在進行Generation 2的垃圾回收時，才會處理LOH。而且在對LOH進行垃圾回收時不會壓縮內存！更進一步，LOH上空間的使用方式也很特殊——當分配一個大對象時，運行時會優先嘗試在LOH的尾部進行分配，如果尾部空間不足，就會嘗試向操作系統請求更多的內存空間，只有在這一步也失敗時，才會重新搜索之前無效對象留下的內存空隙。如下圖所示：

從上到下看

1.LOH中已經存在一個大小為85K的對象和一個大小為16M對象，當需要分配另外一個大小為85K的對象時，會在尾部分配空間；

2.此時發生了一次垃圾回收，大小為16M的對象被回收，其占用的空間為未使用狀態，但運行時并沒有對LOH進行壓縮；

3.此時再分配一個大小為16.1M的對象時，分嘗試在LOH尾部分配，但尾部空間不足。所以，

4.運行時向操作系統請求額外的內存，并將對象分配在尾部；

5.此時如果再需要分配一個大小為85K的對象，則優先使用尾部的空間。

所以前面的示例代碼會造成LOH變成下面這個樣子，當最后要分配16M + N的內存時，因為前面已經沒有任何一塊連續區域滿足要求時，所以就會引發OutOfMemoryExceptiojn異常。

要解決這一問題其實并不容易，但可以考慮下面的策略。 

#p#

1.將比較大的對象分割成較小的對象，使每個小對象大小小于85, 000字節，從而不再分配在LOH上；

2.盡量“重用”少量的大對象，而不是分配很多大對象；

3.每隔一段時間就重啟一下程序。

最終我們發現，我們的軟件中使用數組（List<float>）保存了一些曲線數據，而這些曲線的大小很可能會超過了85, 000字節，同時曲線對象的個數也非常多，從而對LOH造成了很大的壓力，甚至出現了文章開頭所描述的情況。針對這一情況，我們采用了策略1的方法，定義了一個類似C++中deque的數據結構，它以分塊內存的方式存儲數據，而且保證每一塊的大小都小于85, 000，從而解決了這一問題。

此外要說的是，不要以為64位環境中可以忽略這一問題。雖然64位環境下有更大的內存空間，但對于操作系統來說，.NET中的LOH會提交很大范圍的內存區域，所以當存在大量的內存空隙時，即使不會出現OutOfMemoryException異常，也會使得內頁頁面交換的頻率不斷上升，從而使軟件運行的越來越慢。

最后分享我們定義的分塊列表，它對IList<T>接口的實現行為與List<T>相同，代碼中只給出了比較重要的幾個方法。

public class BlockList<T> : IList<T>  
 {  
     private static int maxAllocSize;  
     private static int initAllocSize;  
     private T[][] blocks;  
     private int blockCount;  
     private int[] blockSizes;  
     private int version;  
     private int countCache;  
     private int countCacheVersion;  
   
     static BlockList()  
     {  
         var type = typeof(T);  
         var size = type.IsValueType ? Marshal.SizeOf(default(T)) : IntPtr.Size;  
         maxAllocSize = 80000 / size;  
         initAllocSize = 8;  
     }  
   
     public BlockList()  
     {  
         blocks = new T[8][];  
         blockSizes = new int[8];  
         blockCount = 0;  
     }  
   
     public void Add(T item)  
     {  
         int blockId = 0, blockSize = 0;  
         if (blockCount == 0)  
         {  
             UseNewBlock();  
         }  
         else 
         {  
             blockId = blockCount - 1;  
             blockSize = blockSizes[blockId];  
             if (blockSize == blocks[blockId].Length)  
             {  
                 if (!ExpandBlock(blockId))  
                 {  
                     UseNewBlock();  
                     ++blockId;  
                     blockSize = 0;  
                 }  
             }  
         }  
   
         blocks[blockId][blockSize] = item;  
         ++blockSizes[blockId];  
         ++version;  
     }  
   
     public void Insert(int index, T item)  
     {  
         if (index > Count)  
         {  
             throw new ArgumentOutOfRangeException("index");  
         }  
   
         if (blockCount == 0)  
         {  
             UseNewBlock();  
             blocks[0][0] = item;  
             blockSizes[0] = 1;  
             ++version;  
             return;  
         }  
   
         for (int i = 0; i < blockCount; ++i)  
         {  
             if (index >= blockSizes[i])  
             {  
                 index -= blockSizes[i];  
                 continue;  
             }  
   
             if (blockSizes[i] < blocks[i].Length || ExpandBlock(i))  
             {  
                 for (var j = blockSizes[i]; j > index; --j)  
                 {  
                     blocks[i][j] = blocks[i][j - 1];  
                 }  
   
                 blocks[i][index] = item;  
                 ++blockSizes[i];  
                 break;  
             }  
   
             if (i == blockCount - 1)  
             {  
                 UseNewBlock();  
             }  
   
             if (blockSizes[i + 1] == blocks[i + 1].Length  
                 && !ExpandBlock(i + 1))  
             {  
                 UseNewBlock();  
                 var newBlock = blocks[blockCount - 1];  
                 for (int j = blockCount - 1; j > i + 1; --j)  
                 {  
                     blocks[j] = blocks[j - 1];  
                     blockSizes[j] = blockSizes[j - 1];  
                 }  
   
                 blocks[i + 1] = newBlock;  
                 blockSizes[i + 1] = 0;  
             }  
   
             var nextBlock = blocks[i + 1];  
             var nextBlockSize = blockSizes[i + 1];  
             for (var j = nextBlockSize; j > 0; --j)  
             {  
                 nextBlock[j] = nextBlock[j - 1];  
             }  
   
             nextBlock[0] = blocks[i][blockSizes[i] - 1];  
             ++blockSizes[i + 1];  
   
             for (var j = blockSizes[i] - 1; j > index; --j)  
             {  
                 blocks[i][j] = blocks[i][j - 1];  
             }  
   
             blocks[i][index] = item;  
             break;  
         }  
   
         ++version;  
     }  
   
     public void RemoveAt(int index)  
     {  
         if (index < 0 || index >= Count)  
         {  
             throw new ArgumentOutOfRangeException("index");  
         }  
   
         for (int i = 0; i < blockCount; ++i)  
         {  
             if (index >= blockSizes[i])  
             {  
                 index -= blockSizes[i];  
                 continue;  
             }  
   
             if (blockSizes[i] == 1)  
             {  
                 for (int j = i + 1; j < blockCount; ++j)  
                 {  
                     blocks[j - 1] = blocks[j];  
                     blockSizes[j - 1] = blockSizes[j];  
                 }  
   
                 blocks[blockCount - 1] = null;  
                 blockSizes[blockCount - 1] = 0;  
                 --blockCount;  
             }  
             else 
             {  
                 for (int j = index + 1; j < blockSizes[i]; ++j)  
                 {  
                     blocks[i][j - 1] = blocks[i][j];  
                 }  
   
                 blocks[i][blockSizes[i] - 1] = default(T);  
                 --blockSizes[i];  
             }  
   
             break;  
         }  
   
         ++version;  
     }  
   
     private bool ExpandBlock(int blockId)  
     {  
         var length = blocks[blockId].Length;  
         if (length == maxAllocSize)  
         {  
             return false;  
         }  
   
         length = Math.Min(length * 2, maxAllocSize);  
         Array.Resize(ref blocks[blockId], length);  
         return true;  
     }  
   
     private void UseNewBlock()  
     {  
         if (blockCount == blocks.Length)  
         {  
             Array.Resize(ref blocks, blockCount * 2);  
             Array.Resize(ref blockSizes, blockCount * 2);  
         }  
   
         blocks[blockCount] = new T[initAllocSize];  
         blockSizes[blockCount] = 0;  
         ++blockCount;  
     }  
 } 

原文鏈接：http://www.cnblogs.com/brucebi/archive/2013/04/16/3024136.html