深入.NET垃圾回收(GC)机制

现在谈到GC（Garbage Collector），似乎不得不提JVM的ZGC。而dotNet世界里的GC（由CLR提供）则没有那么出名。这里给出两个关于CLR GC的资料：

第二个资料虽然是personal doc，但因为Maoni是dotNet开发组专攻GC的一位TechLead（Partner级别），所以十分有价值。而本文正文主要总结自Maoni在微软内部的一次分享会（在微软工作的好处是可以从大神们那里聆听到第一手经验）。

常识

GC负责分配和回收内存。

当进程启动，CLR会开辟一块连续的地址空间，叫做managed heap。该进程的所有线程都使用这个heap。该heap会存储下一个object应该被分配的地址。由于object是顺序排列的，所以其分配比unmanaged code从OS申请内存快很多，接近于stack的速度。

unmanaged resource指的是object中的OS资源，比如文件句柄、窗口句柄、网络连接。GC虽然能够感知到但并不知道如何清理它们。你需要把清理的方法写在 Dispose()中，然后尽量用using()语法自动在离开当前域后自动触发Dispose()。如果使用者没有使用using且忘记手动调用 Dispose()，还有两个办法：A. 把 unmanaged resource包裹在safe handle中，然后在Dispose()中调用safe handle的Dispose()。B. 重载Object.Finalize。推荐方法A。

同时CLR会维护若干个application root：static field，local var， thread stack，CPU register。回收时分两步：收集和清理。收集的大致过程是：遍历application roots，绘制出多个graph，那些不在graph里的就是unreachable的，会被清理。清理的大致过程是：GC将unreachable object之后的其他object拷贝到新位置，并更新指针，这叫做 memory compaction。回收时，所有线程暂停，这叫做STW(Stop the world)。

等一下，这就是说dio和承太郎的能力原来和垃圾回收是一个原理？

所有线程暂停这极大地影响程序的性能，因此各路英雄好汉都想着如何减少STW的时间。

Generic GC是其中之一。其有效性来自于统计学的结果：对象的生命周期两极分化，即要么活的很久要么很短。因此为了提升性能，managed heap逻辑上被分为三代：0，1，2。每次只对部分对象进行GC。🟡TODO：补充步骤

LOH（Large Object Heap）是另一个手段。为了提升性能，CLR把较大的object（85KB以上，通常是Array）单独放在另一个heap中，这个heap就叫做 LOH。LOH通常不会进行compaction，除非特别设置。不进行compaction的结果是，GC会把deadobject的位置标记为可用，用于下一次分配。在实践中，要避免对象被分配到LOH（大的Dictionary、List可以通过Segmentation来分割成一块块的小内存）。

还有很多方式，这里不便再展开。

🟡TODO：补充managed memory leak，及一两个错误和避免措施

Maoni S. 的内部分享

memory situation

heap size: memory usage
% time in GC: trade off between heap size and throughput. <=5% is ususally good enough.
individual GC pauses: trade off between heap size and tail latency

so, what is your goal?

measure memory

it can be very confusing: termiology is different in different tools: free, committed, reserved, virtual, physical, working set…

reserved: you tell Virtual Memory Manager to reserve a range of address for you, and others won't use it. After comitted, you cannot write any time immediately, because OS has not allocated physical memory.
committed: To let OS allocate physical memory for your data, you need commit. Including physical memory and PF (Page File) usage.
virtual & physical https://github.com/Maoni0/mem-doc/blob/master/doc/.NETMemoryPerformanceAnalysis.md#Virtual-memory-fundamentals

For most of time, we care about committed memory. How to get that?

in .net framework, perf counter, "Total committed bytes".
in .net 5, GetGCMemoryAPI, ETW events.

But how to correlate with your data size?

we need to know how GC works.
(total committed bytes is usually larger than actual heap size because GC will not return this space to OS. --self note)

even if you use c++, you cannot control memory directly as long as using some memory manager. It's a mid-layer between your code as OS.

通过IL看某段代码是否会造成GC

创建引用类型对象、对值类型装箱，都会产生GC，有时候从C#代码上看得并不明显。除了理论分析、Profiler分析，还有个方法应当多用：分析IL代码。（在线IL翻译工具SharpLab.io，桌面端IL查看工具ILSpy，或者异常强大可惜停更的DnSpy）

某位同学说，函数使用不定参数，在调用的时候如果没有参数一定要传 null，否则会创建空对象，频繁调用会造成不必要的GC。真的是这样吗？利用上述工具，发现并不会。因为IL代码中实际上会用一个全局共享的Array.Empty对象当做参数传递的。经常分析IL的好处不仅于此，这里不再展开。

常识

Maoni S. 的内部分享

memory situation

measure memory

通过IL看某段代码是否会造成GC

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