.Net Framework 4.5.2のガベージ・コレクタの挙動を調べるために、C#のコードで実験してみた記事です。

※ 本記事のサンプルコードは、川俣晶氏の以下記事を参考にさせていただきました。

.NET TIPSガベージ・コレクタを明示的に動作させるには？

ローカル変数の場合

以下コードでは、Queue<string[]>型のオブジェクトをローカル変数として宣言します。キューに巨大データを詰め込んで拡張した後、GC.Collect()でマネージドヒープのゴミ回収をしますが、GC.Collect()前後でのメモリ使用量（近似値）を出力しています。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace GCTest
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {

            Console.WriteLine($"The maximum generation is {GC.MaxGeneration}.");
            GC.Collect();

            Console.WriteLine($"1. Before CreateQueue() :{GC.GetTotalMemory(false)}");

            var q = CreateQueue();
            Console.WriteLine($"2. After CreateQueue()  :{GC.GetTotalMemory(false)}");
            GC.Collect();

            Console.WriteLine($"3. After GC.Collect()   :{GC.GetTotalMemory(false)}");
        }
        static Queue<string[]> CreateQueue()
        {
            var q = new Queue<string[]>();

            string[] a = new string[1000];
            for (int i = 0; i < 1000; i++)
            {
                a[i] = new String('A', 1000);
            }
            q.Enqueue(a);

            string[] b = new string[1000];
            for (int i = 0; i < 1000; i++)
            {
                b[i] = new String('A', 1000);
            }
            q.Enqueue(b);

            string[] c = new string[1000];
            for (int i = 0; i < 1000; i++)
            {
                c[i] = new String('A', 1000);
            }
            q.Enqueue(c);

            string[] d = new string[1000];
            for (int i = 0; i < 1000; i++)
            {
                d[i] = new String('A', 1000);
            }
            q.Enqueue(d);

            return q;
        }
    }
}

リリースモードで実行すると、結果は以下となりました。

実行結果（リリースモード）

The maximum generation is 2.
1. Before CreateQueue() :39984
2. After CreateQueue()  :8113144
3. After GC.Collect()   :40124

GC.Collect()によって7.7MBのメモリが解放されたのは分かるのですが、GC.Collect()の呼出し時点ではqはスコープを抜けてないのだから、メモリ解放されるのおかしくね？と思いました。

ですが、これってGC.Collect()からqのスコープ末尾「}」までの間に、qが使用されていないから解放されたのかなあと思います。

試しに、qを使用するコードを追加してみました。

qを使用してガベコレの対象から除外

        static void Main(string[] args)
        {

            Console.WriteLine($"The maximum generation is {GC.MaxGeneration}.");
            GC.Collect();

            Console.WriteLine($"1. Before CreateQueue() :{GC.GetTotalMemory(false)}");

            var q = CreateQueue();
            Console.WriteLine($"2. After CreateQueue()  :{GC.GetTotalMemory(false)}");
            GC.Collect();
            q.Count(); // qを参照
            Console.WriteLine($"3. After GC.Collect()   :{GC.GetTotalMemory(false)}");
        }

qの使用を追加した上記コードをリリースモードで実行してみると、ライフタイムが延長されたのか、メモリ解放されませんでした。

実行結果（リリースモード）

The maximum generation is 2.
1. Before CreateQueue() :39984
2. After CreateQueue()  :8113144
3. After GC.Collect()   :8120136

ちなみにデバッグモードで実行すると、最適化されないせいか、qを使用しなくてもライフタイムが延長せず、メモリも解放されていませんね。

実行結果（デバッグモード）

The highest generation is 2.
1. Before CreateQueue() :31772
2. After CreateQueue()  :8113124
3. After GC.Collect()   :8111892

GC.KeepAlive()

GC.KeepAlive()は、オブジェクトのライフタイムを延長します。このメソッドは「この時点までライフタイムを延長します」とマーカするものです。

GC.Keepalive()でライフタイムを延長

        static void Main(string[] args)
        {

            Console.WriteLine($"The maximum generation is {GC.MaxGeneration}.");
            GC.Collect();

            Console.WriteLine($"1. Before CreateQueue() :{GC.GetTotalMemory(false)}");

            var q = CreateQueue();
            Console.WriteLine($"2. After CreateQueue()  :{GC.GetTotalMemory(false)}");
            GC.Collect();
            GC.KeepAlive(q); // この時点までqのライフタイムを延長

            Console.WriteLine($"3. After GC.Collect()   :{GC.GetTotalMemory(false)}");
        }

ライフタイムが延長され、予想通りガベコレの回収対象になりませんでした。

実行結果（GC.KeepAlive()を使用）

The maximum generation is 2.
1. Before CreateQueue() :64416
2. After CreateQueue()  :8219792
3. After GC.Collect()   :8224688

オブジェクトのライフタイムを制限

ブロックで閉じてオブジェクトのライフタイムをexpiredさせれば、デバッグモードでもガベコレに回収されんじゃね？と思い、以下のコードを書いてみました。オブジェクトqを{}内に閉じ込めています。

スコープで閉じる（デバッグモード）

        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine($"The maximum generation is {GC.MaxGeneration}.");
            GC.Collect();

            Console.WriteLine($"1. Before CreateQueue() :{GC.GetTotalMemory(false)}");
            {
                var q = CreateQueue();
            }
            Console.WriteLine($"2. After CreateQueue()  :{GC.GetTotalMemory(false)}");

            GC.Collect();

            Console.WriteLine($"3. After GC.Collect()   :{GC.GetTotalMemory(false)}");
        }

あれ、解放されませんね…。デバッグモードってそういうものなんですね。

実行結果（デバッグモード）

The maximum generation is 2.
1. Before CreateQueue() :32088
2. After CreateQueue()  :8123664
3. After GC.Collect()   :8112208

ただし、GC.Collect()の前にqにnullを代入すると、デバッグモードでもqが使用するリソースは解放されました。

nullを代入

        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine($"The maximum generation is {GC.MaxGeneration}.");
            GC.Collect();

            Console.WriteLine($"1. Before CreateQueue() :{GC.GetTotalMemory(false)}");
            {
                var q = CreateQueue();
                Console.WriteLine($"2. After CreateQueue()  :{GC.GetTotalMemory(false)}");
                q = null;
            }
            GC.Collect();

            Console.WriteLine($"3. After GC.Collect()   :{GC.GetTotalMemory(false)}");
        }

実行結果（デバッグモード）

The maximum generation is 2.
1. Before CreateQueue() :32088
2. After CreateQueue()  :8123664
3. After GC.Collect()   :32100

static変数の場合

qをstatic変数にしてみました。

static変数にしてガベコレ対象から除外

        static Queue<string[]> q;
        static void Main(string[] args)
        {

            Console.WriteLine($"The maximum generation is {GC.MaxGeneration}.");
            GC.Collect();

            Console.WriteLine($"1. Before CreateQueue() :{GC.GetTotalMemory(false)}");

            q = CreateQueue();
            Console.WriteLine($"2. After CreateQueue()  :{GC.GetTotalMemory(false)}");
            GC.Collect();
            Console.WriteLine($"3. After GC.Collect()   :{GC.GetTotalMemory(false)}");
        }

するとどうでしょう。qはガベコレに回収されませんでした。まあ、staticなのだからそりゃそうですね。

実行結果（リリースモード）

The maximum generation is 2.
1. Before CreateQueue() :39984
2. After CreateQueue()  :8113144
3. After GC.Collect()   :8120136

static変数の場合（nullを代入）

qがガベコレの対象になるように、ガベコレ直前にq = null;を追加してみました。

q=nullにしてガベコレ対象にする

        static Queue<string[]> q;
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine($"The maximum generation is {GC.MaxGeneration}.");
            GC.Collect();

            Console.WriteLine($"1. Before CreateQueue() :{GC.GetTotalMemory(false)}");

            q = CreateQueue();
            q = null;  // ガベコレの対象になるはず
            Console.WriteLine($"2. After CreateQueue()  :{GC.GetTotalMemory(false)}");
            GC.Collect();
            Console.WriteLine($"3. After GC.Collect()   :{GC.GetTotalMemory(false)}");
        }

おお、ガベコレに回収されてる。やったね。

実行結果（リリースモード）

The maximum generation is 2.
1. Before CreateQueue() :39984
2. After CreateQueue()  :8113144
3. After GC.Collect()   :40124

static変数の場合（Dequeue()でキューを空にする）

次はnullを代入する代わりに、キューの全要素をDequeue()で空にしてみます。

Dequeue()でキューを空にしてガベコレ

        static Queue<string[]> q;
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine($"The maximum generation is {GC.MaxGeneration}.");
            GC.Collect();

            Console.WriteLine($"1. Before CreateQueue() :{GC.GetTotalMemory(false)}");

            q = CreateQueue();
            Console.WriteLine($"2. After CreateQueue()  :{GC.GetTotalMemory(false)}");

            var slotCount = q.Count;
            for (int i = 0; i < slotCount; ++i)
                q.Dequeue();

            Console.WriteLine($"3. After Dequeue()  :{GC.GetTotalMemory(false)}");
            GC.Collect();
            Console.WriteLine($"4. After GC.Collect()   :{GC.GetTotalMemory(false)}");
            q = null;
            GC.Collect();
            Console.WriteLine($"5. After set null to q  :{GC.GetTotalMemory(false)}");
        }

解放されますね。要素数が大きいときは、Queue.TrimExcess()で空きスロットをshrinkすれば、よりオーバーヘッドが減ると思います。

実行結果（リリースモード）

The maximum generation is 2.
1. Before CreateQueue() :64584
2. After CreateQueue()  :8219792
3. After Dequeue()  :8219792
4. After GC.Collect()   :65048
5. After set null to q  :64728

static変数の場合（Clear()でキューを空にする）

Clear()でキューを空にする

        static Queue<string[]> q;
        static void Main(string[] args)
        {

            Console.WriteLine($"The maximum generation is {GC.MaxGeneration}.");
            GC.Collect();

            Console.WriteLine($"1. Before CreateQueue() :{GC.GetTotalMemory(false)}");

            q = CreateQueue();
            Console.WriteLine($"2. After CreateQueue()  :{GC.GetTotalMemory(false)}");

            q.Clear();

            GC.Collect();
            Console.WriteLine($"3. After GC.Collect()   :{GC.GetTotalMemory(false)}");
        }

Clear()でも同じく、ガベコレに回収されるですね。

実行結果（リリースモード）

The maximum generation is 2.
1. Before CreateQueue() :39984
2. After CreateQueue()  :8113144
3. After GC.Collect()   :40184

static変数の場合（new演算子で領域を再割り当て）

q.Clear();の代わりに、q = new Queue<string[]>();に変更したところ、やはりガベコレに回収されました。

実行結果（リリースモード）

The maximum generation is 2.
1. Before CreateQueue() :39984
2. After CreateQueue()  :8113144
3. After GC.Collect()   :40156

newによる再割当て前の領域はダングリング参照とはならずに、ちゃんとガベコレに回収されるんですね（それがガベコレの仕事なのだが…）。

static変数の場合（クラスのstaicメンバ）

キュー（static領域）をメンバにもつクラスのインスタンス変数にnullを代入したケースです。

クラスのstaticメンバ（インスタンスは解放）

class QueueTest
{
    static public Queue<string[]> q;
}

namespace GCTest
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {

            Console.WriteLine($"The maximum generation is {GC.MaxGeneration}.");
            GC.Collect();

            Console.WriteLine($"1. Before CreateQueue() :{GC.GetTotalMemory(false)}");

            var aQueueTest = new QueueTest();
            QueueTest.q = CreateQueue();
            Console.WriteLine($"2. After CreateQueue()  :{GC.GetTotalMemory(false)}");

            aQueueTest = null;
            GC.Collect();

            Console.WriteLine($"3. After GC.Collect()   :{GC.GetTotalMemory(false)}");
        }
    // ...

インスタンスにnullを代入しても、メンバが参照するリソースはstatic領域にあるため、リソースはガベコレに回収されませんね。

実行結果（リリースモード）（キューをメンバにもつクラスのインスタンスにnullを代入）

The maximum generation is 2.
1. Before CreateQueue() :64416
2. After CreateQueue()  :8219792
3. After GC.Collect()   :8224688

staticメンバにnullを代入してstatic領域のリソースへの参照を断つと、やっとガベコレに回収されました。

staticメンバにnullを代入

            // aQueueTest = null;
            QueueTest.q = null;
            GC.Collect();

実行結果（リリースモード）（staticメンバにnullを代入）

The maximum generation is 2.
1. Before CreateQueue() :64416
2. After CreateQueue()  :8219792
3. After GC.Collect()   :64752

おわりに

くぅ疲です。「ガベージ・コレクタ」というと、高度なアルゴリズムで武装された、頭の良い人だけが意識する近代兵器というイメージがあったのですが、こうやって実コードで動作を確認してみると、意外と身近なものに思えてくるものですね。筆者はガベコレのことが、ちょっと好きになりました。