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厦门集团网站设计公司,wordpress局域网外网访问不了,沧州外贸推广公司,物联网名词解释【USparkle专栏】如果你深怀绝技#xff0c;爱“搞点研究”#xff0c;乐于分享也博采众长#xff0c;我们期待你的加入#xff0c;让智慧的火花碰撞交织#xff0c;让知识的传递生生不息#xff01; 背景#xff1a;前段时间在项目内做了关于Mono内存#xff08;堆内存…【USparkle专栏】如果你深怀绝技爱“搞点研究”乐于分享也博采众长我们期待你的加入让智慧的火花碰撞交织让知识的传递生生不息背景前段时间在项目内做了关于Mono内存堆内存的优化。从结果上将Mono内存从220MB降低到130MB优化过程中唤起了部分关于GC的消失的回忆虽然实际的优化工作中也许并用不到但是更明确底层实现机制总归是一件迭代自我的过程在这里就来回顾一下。一、什么是垃圾回收 - GCGarbage Collector在游戏运行的时候数据主要存储在内存中当游戏的数据在不需要的时候存储当前数据的内存就可以被回收以再次使用。内存垃圾是指当前废弃数据所占用的内存垃圾回收GC是指将废弃的内存重新回收再次使用的过程。1. 什么时候触发垃圾回收有三个操作会触发垃圾回收在堆内存上进行内存分配操作而内存不够的时候都会触发垃圾回收来利用闲置的内存。GC会自动触发不同平台运行频率不一样。GC被代码强制执行。2. GC操作带来的问题直白点就两个问题一个是Stop-the-world导致的“卡”一个是内存碎片导致的“堆内存太大”。GC操作会需要大量的时间来运行如果堆内存上有大量的变量或者引用需要检查则检查的操作会十分缓慢这就会使得游戏运行缓慢。GC可能会在关键时候运行例如在CPU处于游戏的性能运行关键时刻此时任何一个额外的操作都可能会带来极大的影响使得游戏帧率下降。另外一个GC带来的问题是堆内存的碎片。当一个内存单元从堆内存上分配出来其大小取决于其存储的变量的大小。当该内存被回收到堆内存上的时候有可能使得堆内存被分割成碎片化的单元。也就是说堆内存总体可以使用的内存单元较大但是单独的内存单元较小在下次内存分配的时候不能找到合适大小的存储单元这也会触发GC操作或者堆内存扩展操作。堆内存碎片会造成两个结果一个是游戏占用的内存会越来越大一个是GC会更加频繁地被触发。特别是在堆内存上进行内存分配时内存单元不足够的时候GC会被频繁触发这就意味着频繁在堆内存上进行内存分配和回收会触发频繁的GC操作。二、Unity托管堆在讲具体的Unity GC机制之前再回顾一下Unity托管堆。1. 托管堆的工作原理及其扩展原因“托管堆”是由项目脚本运行时Mono或IL2CPP的内存管理器自动管理的一段内存。必须在托管堆上分配托管代码中创建的所有对象。Unity官方文档图在上图中白框表示分配给托管堆的内存量而其中的彩色框表示存储在托管堆的内存空间中的数据值。当需要更多值时将从托管堆中分配更多空间。GC定期运行将扫描堆上的所有对象将任何不再引用的对象标记为删除。然后会删除未引用的对象从而释放内存。至关重要的是Unity的垃圾收集是非分代的也是非压缩的。“非分代”意味着GC在执行每遍收集时必须扫描整个堆因此随着堆的扩展其性能会下降。“非压缩”意味着不会为内存中的对象重新分配内存地址来消除对象之间的间隙。内存空隙上图为内存碎片化示例。释放对象时将释放其内存。但是释放的空间不会整合成为整个“可用内存”池的一部分。位于释放的对象两侧的对象可能仍在使用中。因此释放的空间成为其他内存段之间的“间隙”该间隙由上图中的红色圆圈指示。因此新释放的空间仅可用于存储与释放相同大小或更小的对象的数据。这导致了内存碎片化这个核心问题虽然堆中的可用空间总量可能很大但是可能其中的部分或全部的可分配空间对象之间存在小的“间隙”。这种情况下即使可用空间总量高于要分配的空间量托管堆可能也找不到足够大的连续内存块来满足该分配需求。如果分配了大型对象又没有足够的连续空间提供使用则运行垃圾回收器尝试释放空间来满足分配请求。如果在GC运行后仍然没有足够的连续空间来满足请求的内存量则必须扩展堆。堆的具体扩展量视平台而定。2. Unity托管堆的问题Unity在扩展托管堆后不会经常释放分配给托管堆的内存页,防止再次发生大量分配时需要重新扩展堆。在大多数平台上Unity最终会将托管堆的空置部分使用的页面释放回操作系统。发生此行为的间隔时间是不确定的不要指望靠这种方法释放内存。频繁分配临时数据给托管堆这种情况通常对项目的性能极为不利。如果每帧分配1KB的临时内存并且以60帧的速率运行那么它必须每秒分配60KB的临时内存。在一分钟内这会在内存中增加3.6MB的垃圾。对内存不足的设备而言每分钟3.6MB的垃圾也无法接受。三、Unity的GC机制 -- Boehm GC以前看过Unity使用的GC方案但最近才惊觉现在使用的Unity都是IL2CPP的版本了所谓的Mono GC本来就已经不存在了。于是来看下现在的IL2CPP的GC机制 Boehm GC贝姆垃圾收集器。1. IL2CPP - Boehm GC贝姆垃圾收集器是计算机应用在C/C语言上的一个保守的垃圾回收器Garbage Collector可应用于许多经由C/C开发的程序中。摘录一段定义Boehm-Demers-Weiser garbage collector适用于其它执行环境的各类编程语言包括了GNU版Java编译器执行环境以及Mono的Microsoft .NET移植平台。同时支援许多的作业平台如各种Unix操作系统微软的操作系统Microsoft Windows以及麦金塔上的操作系统Mac OS X还有更进一步的功能例如渐进式收集Incremental Collection平行收集Parallel Collection以及终结语意的变化Variety Offinalizersemantics。在Unity中我们可以看到关于Boehm GC的算法部分BoehmGC.cpp内部调用的就是这个第三方库他是Stop-the-world类型的垃圾收集器这表明了在执行垃圾回收的时候将会停止正在运行的程序而停止时间的只有在完成工作后才会恢复所以这就导致了GC引起的程序卡顿峰值很显然这对游戏的平滑体验造成了较大的负面影响。通常解决这个问题的常规方案是尽可能地“减少”运行时垃圾回收后续用GC代替亦或者将GC放在不那么操作敏感的场景中比如回城、死亡后等。但完全避免运行时垃圾回收在大部分时间是不现实的。接下来我们来看看Boehm GC的背后机制。2. Boehm GC算法思路Boehm GC是一种Mark-Sweep标记-清扫算法大致思路包含了四个阶段准备阶段每个托管堆内存对象在创建出来的时候会有一个关联的标记位来表示当前对象是否被引用默认为0。标记阶段从根内存节点静态变量栈寄存器出发遍历扫描托管堆的内存节点将被引用的内存节点标记为1。清扫阶段遍历所有节点将没有被标记的节点的内存数据清空并且基于一定条件释放。结束阶段触发注册过的回调逻辑。3. 渐进式GC使用渐进式GC允许把GC工作分成多个片因此为了不让GC工作长时间的“阻塞”主线程将其拆分成了多个更短的中断。需要明确的是这并不会使GC总体上变得更快但是却可以将工作负载分配到多帧来平缓单次GC峰值带来的卡顿影响。注: Unity在高版本已经默认是渐进式GC了大概是Unity 19.1a10版本。[Unity 活动]-浅谈Unity内存管理_哔哩哔哩_bilibili4. GC中的内存分配Boehm GC的使用方法非常简单只需要将malloc替换为GC_malloc即可在此之后便无需关心free的问题。void * GC_malloc(size_t lb) { return GC_malloc_kind(lb, NORMAL); } void * GC_malloc_kind(size_t lb, int k) { return GC_malloc_kind_global(lb, k); }在整个内存分配链的最底部Boehm GC通过平台相关接口来向操作系统申请内存。为了提高申请的效率每次批量申请4KB的倍数大小。分配器的核心是一个分级的结构Boehm GC把每次申请根据内存大小归类成小内存对象和大内存对象。小内存对象不超过PageSize/2小于2048字节的对象。大内存对象大于PageSize/2的对象。对于大内存对象向上取整到4KB的倍数大小以整数的内存块形式给出。而小内存对象则会先申请一个内存块出来而后在这块内存上进一步细分为Small Objects形成free-list。下面会分别说下大内存对象和小内存对象参考网上的资料整理确实有点点干但是配图我重新做了一下大概可以辅助消化。四、IL2CPP - Boehm GC小内存分配1. 粒度对齐实现思路是提出粒度GRANULES的概念即一个GRANULE的大小是16字节。实际分配内存的时候按照GRANULE为基本单位来分配。分配过程中按照原始需要的大小计算并映射得到实际需要分配的GRANULE个数代码如下//lb是原始的分配大小lg是GRANULE1128。 size_t lg GC_size_map[lb];例如需要18字节的内存则lg2即实际分配2个GRANULE32字节如果需要1字节的内存则lg1即实际分配1个GRANULE16字节。GC_size_map是一个“GRANULE索引映射表”用来维护原始分配的内存大小和内存索引之间的关系。最多可以返回128个GRANULE所以小内存的大小上限是128*162048。GC_size_map数组本身会不断加载根据需要不断扩容。示意2. 空闲链表 - ok_freelist决定了GRANULE的大小之后在申请内存时刻首先会从“空闲链表”中查看是否有空闲内存块如果有则直接返回这块内存完成分配其算法维护了一个数据结构obj_kindstruct obj_kind { void **ok_freelist; struct hblk **ok_reclaim_list; ... } GC_obj_kinds[3];GC_obj_kinds[3]对应了3种内存类型分别是PTRFREE、NORMAL和UNCOLLECTABLE每种类型都有一个obj_kind结构体信息。PTRFREE无指针内存分配明确的告诉GC该对象内无任何的指针信息在GC时候无需查找该对象是否引用了其他对象。NORMAL无类型的内存分配因为无法得到对象的类型元数据所以在GC时会按照只针对其的方式扫描内存块如果通过了指针校验就会认为该对象引用了该指针地址指向的对象。UNCOLLECTABLE为BOEHM自己分配的内存这些不需要标记和回收。每一个obj_kind的结构体都维护了一个ok_freelist的二维指针链表用来存放空闲的内存块。ok_freelist维护了0~127个链表索引。而每一个尺寸的freelist就是对应大小的GRANULE池子其结构示意如图freelist示意于是根据要申请的内存大小计算得到GRANULE在freelist的索引然后去查询对应索引的freelist如果存在空闲看空间ok_freelist[index][ 0]则将其返回并从链上移除。ok_freelist链表最初为空如果ok_freelist中没有相应的空闲内存块则调用GC_allocobj(lg, k)去底层查找可用的内存。GC_allocobj的核心逻辑是调用GC_new_hblk(gran, kind)去底层内存池获取内存并且查看底层内存池中是否分配了空闲的内存块如果没有则通过系统函数例如malloc分配内存给底层内存池如果内存池有直接取出一块返回。GC_new_hblk的代码逻辑如下GC_INNER void GC_new_hblk(size_t gran, int kind) { struct hblk *h; /* the new heap block */ GC_bool clear GC_obj_kinds[kind].ok_init; /* Allocate a new heap block */ h GC_allochblk(GRANULES_TO_BYTES(gran), kind, 0); if (h 0) return; /* Build the free list */ GC_obj_kinds[kind].ok_freelist[gran] GC_build_fl(h, GRANULES_TO_WORDS(gran), clear,(ptr_t)GC_obj_kinds[kind].ok_freelist[gran]); }GC_new_hblk的主要逻辑有2步调用GC_allochblk方法进一步获取内存池中可用的内存块调用GC_build_fl方法利用内存池中返回的内存块构建ok_freelist供上层使用。3. 核心内存块链表GC_hblkfreelist底层内存池的实现逻辑和ok_freelist类似维护了一个空闲内存块链表的指针链表GC_hblkfreeelist但是和ok_freelist不同的是这个链表中的内存块的基本单位是4KB也就是一个内存页page_size的大小。GC_hblkfreelist一个有60个元素每一个元素都是一个链表。4. 内存块 - hblk、头信息 - hblkhdr链表中的每一个内存块都以大小40964KB为一基本单位一个大小为4096的内存块被称为hblk数据定义如下struct hblk { char hb_body[HBLKSIZE]; //HBLKSIZE4096 };每个hblk拥有一个相应的header信息用来描述这个内存快的情况数据的定义如下//头部信息 struct hblkhdr { struct hblk * hb_next; //指向下一个hblk struct hblk * hb_prev; //指向上一个hblk struct hblk * hb_block; //对应的hblk unsigned char hb_obj_kind; //kink类型 unsigned char hb_flags; //标记位 word hb_sz; //如果给上层使用则表示实际分配的单位如果空闲则表示内存块的大小 word hb_descr; size_t hb_n_marks;//标记位个数用于GC word hb_marks[MARK_BITS_SZ]; //标记为用于GC }5. hblk内存块查询structh blk *GC_allochblk(size_t sz, int kind, unsigned flags/* IGNORE_OFF_PAGE or 0 */) { ... //1.计算需要的内存块大小 blocks_needed OBJ_SZ_TO_BLOCKS_CHECKED(sz); start_list GC_hblk_fl_from_blocks(blocks_needed); //2.查找精确的hblk内存块 result GC_allochblk_nth(sz, kind, flags, start_list, FALSE); if (0 ! result) return result; may_split TRUE; ... if (start_list lt; UNIQUE_THRESHOLD) { start_list; } //3.从更大的内存块链表中找 for (; start_list lt; split_limit; start_list) { result GC_allochblk_nth(sz, kind, flags, start_list, may_split); if (0 ! result) break; } return result; } STATIC int GC_hblk_fl_from_blocks(word blocks_needed) { if (blocks_needed lt; 32) return blocks_needed; if (blocks_needed gt; 256) return (256-32)/832; return (blocks_needed-32)/832; }先根据上层需要分配的内存大小计算出需要的内存块大小如果申请的大小小于4096字节则结果是1对于小对象内存块的个数就是1。根据实际需要的内存块数判断并决定从哪一个GC_hblkfreelist链表查找start_list是开始查找的链表index即从GC_hblkfreelist[start_list]开始查找。并不是需要blocks就一定会从GC_hblkfreelist[blocks]的链表中查找遵循转换规则小内存索引是连续的中内存索引是328的步长大点的内存索引都是60。如果blocks_needed小于32则startlistblocks_needed直接去GC_hblkfreelist[blocks_needed]中查找。如果blocks_needed位于32256则startlist(blocks_needed-32)/832即blocks_needed每增加8个对应GC_hblkfreelist[index]的index增加1。如果blocks_needed大于256则都从GC_hblkfreelist[60]链表中查找。决定从哪个链表开始查找之后首先进行精确查找如果直接找到则直接返回找到的内存块。如果精准查找失败则逐渐增大start_list从更大的内存块链表中查找。STATIC struct hblk *GC_allochblk_nth(size_t sz, int kind, unsigned flags, int n, int may_split) { struct hblk *hbp; hdr * hhdr; struct hblk *thishbp; hdr * thishdr;/* Header corr. to thishbp */ //计算需要分配的内存块大小 signed_word size_needed HBLKSIZE * OBJ_SZ_TO_BLOCKS_CHECKED(sz); //从链表中查找合适的内存块 for (hbp GC_hblkfreelist[n];; hbp hhdr -gt; hb_next) { signed_word size_avail; if (NULL hbp) return NULL; //获取内存块的header信息 GET_HDR(hbp, hhdr); //内存块大小 size_avail (signed_word)hhdr-gt;hb_sz; if (size_avail lt; size_needed) continue; //可用内存大于需要的分配的大小 if (size_avail ! size_needed) { //要求精准不分割退出循环返回空 if (!may_split) continue; ... if( size_avail gt; size_needed ) { ... //分割内存块修改链表 hbp GC_get_first_part(hbp, hhdr, size_needed, n); break; } } } if (0 hbp) return0; ... //修改header信息 setup_header(hhdr, hbp, sz, kind, flags) ... return hbp; }当分配字节的时候先通过精确查找如果发现有精确内存则会返回相应的内存块如果没有发现精确内存则会去查找更大的内存块并进行分割一半返回使用一半放到池子里。拆分示意如上图示例如果要申请1KB则会先找4KB如果没有4KB则去找8KB找到了8KB就进行两个4KB的拆分然后移除8KB出池子再把拆分过的另一半4KB内存块加入到池子里STATIC struct hblk *GC_get_first_part(struct hblk *h, hdr *hhdr, size_t bytes, int index) { word total_size hhdr -gt; hb_sz; struct hblk * rest; hdr * rest_hdr; //从空闲链表删除 GC_remove_from_fl_at(hhdr, index); if (total_size bytes) return h; //后半部分 rest (struct hblk *)((word)h bytes); //生成header信息 rest_hdr GC_install_header(rest); //内存块大小 rest_hdr -gt; hb_sz total_size - bytes; rest_hdr -gt; hb_flags 0; ... //加入相应的空闲链表 GC_add_to_fl(rest, rest_hdr); }6. 内存块分配如果GC_hblkfreelist空闲链表中找不到合适的内存块则考虑从系统开辟一段新的内存并添加到GC_hblkfreelist链表中。在GC_expand_hp_inner方法中实现GC_INNER GC_bool GC_expand_hp_inner(word n) { ... //调用系统方式开辟内存 space GET_MEM(bytes); //记录内存地址和大小 GC_add_to_our_memory((ptr_t)space, bytes); ... //添加到GC_hblkfreelist链表中 GC_add_to_heap(space, bytes); ... }GC_add_to_heap方法将创建出来的内存块加入相应的GC_hblkfreelist链表中。同时加入一个全局的存放堆内存信息的数组中。其中如果发现内存连续的前后内存块存在且空闲则合并前后的内存块生成一个更大的内存块。7. ok_freeList在GC_new_hblk中调用GC_build_fl方法构建链表就是这个GC系统的缓存池核心数据结构。//构建ok_freelist[gran] GC_obj_kinds[kind].ok_freelist[gran] GC_build_fl(h, GRANULES_TO_WORDS(gran), clear,(ptr_t)GC_obj_kinds[kind].ok_freelist[gran]); GC_INNER ptr_t GC_build_fl(struct hblk *h, size_t sz, GC_bool clear, ptr_t list) { word *p, *prev; word *last_object;/* points to last object in new hblk*/ ... //构建链表 p (word *)(h -gt; hb_body) sz;/* second object in *h*/ prev (word *)(h -gt; hb_body);/* One object behind p*/ last_object (word *)((char *)h HBLKSIZE); last_object - sz; while ((word)p lt; (word)last_object) { /* current objects link points to last object */ obj_link(p) (ptr_t)prev; prev p; p sz; } p - sz; //拼接之前的链表 *(ptr_t *)h list; //返回入口地址 return ((ptr_t)p); }以4096字节的内存块划分为16字节单元的freeList为例步骤如下4096字节按照16字节分配划分为256个小内存块编号是0255将最后一个内存块255作为新链表的首节点。内存地址向前遍历建立链表即255的下一个节点是254尾节点是0。将尾节点的下一个节点指向原链表的首地址。将新链表的首节点地址作为ok_freelist[N]N是上文提到的GRANULE例如16字节对应1。重建好的freeList并将首节点提供给上层使用。五、Boehm GC大内存分配分配大内存对象是指分配的内存大于2048字节。OBJ_SZ_TO_BLOCKS用于计算需要的hblk内存块的个数对于大内存需要的个数大于等于1。例如需要分配9000字节的内存则需要3个hblk内存块然后调用GC_alloc_large分配内存。GC_INNER ptr_t GC_alloc_large(size_t lb, int k, unsigned flags) { struct hblk * h; word n_blocks; ptr_t result; ... n_blocks OBJ_SZ_TO_BLOCKS_CHECKED(lb); ... //分配内存 h GC_allochblk(lb, k, flags); ... //分配失败系统分配内存块后继续尝试分配 while (0 h amp;amp; GC_collect_or_expand(n_blocks, flags ! 0, retry)) { h GC_allochblk(lb, k, flags); retry TRUE; } //记录大内存创建大小 size_t total_bytes n_blocks * HBLKSIZE; ... GC_large_allocd_bytes total_bytes; ... result h -gt; hb_body; //返回内存地址 return result; }大内存分配的内存查找和小对象方式一样会不断增加start_list。从更大的链表中查找是否有空闲内存不同的是如果查找到了空闲内存不会分裂构建ok_freeList链表而是直接返回大内存块的地址提供使用。六、Boehm GC内存分配流程图示意七、额外SGen GCSimple Generational Garbage Collection简称SGen GC是相比Boehm GC贝姆GC更为先进的一种GC方式。官方Mono在2.8版本中增加了SGen GC但默认的仍是Boehm GC。3.2版本之后Mono正式将SGen GC作为默认GC方式。SGen GC将堆内存分为初生代Nursery和旧生代Old Generation两代进行管理并包含两个GC过程Minor GC对初生代进行清理Major GC对初生代和旧生代同时进行清理。1. 内存分配策略 - 初代在SGen GC中初生代是一块固定大小的连续内存默认为4MB可以通过配置修改。这一点与G1不同在G1中同一代的Region在物理上是不要求连续的。为了支持多线程工作新对象的内存分配依然在每个线程的TLAB中进行当前每个TLAB均为4KB有提到可能会在不久后进行优化。而在TLAB内部内存分配是通过指针碰撞的方式进行的也就是说在SGen GC中初生代内存并没有进行粒度划分也没有分块管理。初生代对象跟随Minor GC和Major GC进行回收。2. 内存分配策略 - 旧代在SGen GC中旧生代内存划分方式可以概括为Section1MB → Block16KB→ Page4KB→ Slot不同粒度在使用内存时按照上述链条依次向下拆分与贝姆GC相同同一个Block中的Page也只能拆分成相同粒度的Slot。虽然在初生代中并没有划分内存粒度但是当对象从初生代转移到旧生代时会找到对应粒度的Slot进行存储。释放对象时对应的Slot也会返还给空闲链表类似贝姆GC中的ok_freeList并在某一级结构完全清空时依次向上一级返还。旧生代内存最终是通过一个GCMemSection结构的链表进行管理的。3. 内存分配策略 - 大对象超过8KB的对象均被视为大对象大对象通过单独的LOSSection结构进行管理。而大对象的内存管理又分为两种情况不超过1MB的仍然存储在Mono自己的托管堆上清理后返还给托管堆超过1MB的直接从操作系统申请内存清理后内存也同样返还给操作系统。4. 内存分配策略 - 固定内存对象有一些对象被显式或隐式地标记为了固定内存的对象这些对象在初始时依然被分配在初生代中但不会被GC过程移动位置。显式用户显式声明的比如通过fixed关键字进行修饰隐式在GC开始时所有寄存器和ROOT中直接指向的对象都视为固定内存对象。这是侑虎科技第1924篇文章感谢作者Jamin供稿。欢迎转发分享未经作者授权请勿转载。如果您有任何独到的见解或者发现也欢迎联系我们一起探讨。作者主页https://www.zhihu.com/people/liang-zhi-ming-70再次感谢Jamin的分享如果您有任何独到的见解或者发现也欢迎联系我们一起探讨。