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BOHEM GC探究

一 什么是垃圾回收？

对于Unity而言，GC始终是一个绕不开的话题。垃圾回收机制已经广泛存在于各种语言如C#、Lua、Unity中。

二 垃圾回收机制有哪些？

2.1 引用计数法

2.2 根搜索法

又分为： - Mark-Sweep标记-清除法：标记阶段通过访问根节点，并遍历到叶子节点，最终将所有存在的内存都标记出来，其余未标记的部分可清除释放掉。 - Copying - Mark-Impact标记-压缩法

2.3 关于GC的一些其他概念

  • stop-the-world：可以理解为让GC线程外的所有线程暂停，营造出的停止现象（砸瓦鲁多~）
  • 保守式
  • 准确式
  • 渐进式收集（incremental collection），平行收集（parallel collection）以及终结语意的变化（variety offinalizersemantics）。
  • Zimbie Memory 僵尸内存

2.4 GC导致的一些问题

  • 在游戏关键时刻，单次GC操作STW带来的明显卡顿。
  • 如果有大量的变量和引用，检查会非常耗时
  • 内存碎片导致的分配效率低下和内存占用过大、GC频繁触发

三 Unity的GC机制

由于Unity的Mono版本其实已经在2019.3后升级了，但还是采用的Fork版本，所以Unity则一直采用的BOHEM GC来完成垃圾回收，属于非分代和非压缩的标记-清除算法的GC。

  1. stop-the-world:意味着每次GC都会造成线程停止工作
  2. 非分代：意味着要遍历整个内存
  3. 非压缩：意味着堆内存碎片化的问题，unity不会对堆内存进行碎片整理 ，托管对象的内存地址不会发生变化
    • 好处在于可以使用指针访问对象

这部分源码其实unity是公开的，就在Editor/data/il2cpp/libil2cpp/gc下

3.1 实现

  1. 准备阶段：所有对象的MarkBit标记位重置为0，表示当前是否被引用。
  2. 标记阶段：从Root节点（静态变量、寄存器、栈）出发进行扫描，将可达对象进行标记为1。
    1. 暂停所有线程，访问各个线程堆栈以及GC根节点对象，遍历搜索整个引用树，，按照4字节/8字节（32/64位对齐，判断每个数据是不是有效指针）
    2. Boemh会记录分配堆内存的低地址和高地址，若指针落在该区间，则认为其可能是一个指针，再通过二级数组获取该指针对应的HBLKHDR信息。
    3. 找到HBLKHDR后，会检查该PAGE状态，若为空闲，则忽略该指针(因为未指向有效对象)，若已使用，则标记该指针指向的Obj为使用状态，并将对应的标记位设置为可用然后再遍历该Obj，找出可能的指针，并一一标记。（引用遍历之前会清除所有HBLKHDR的标记字段）
    4. 若整个HBLKHDR所有标记都未被设置，则会将HBLKHDR还回到GC_hblkfreelist中，并且会根据其地址，将相邻的hblk块合并成大的块，并调整其在GC_hblkfreelist中的存储位置
  3. 清理阶段：扫描托管堆，将所有未标记的对象返回给对应的FreeList，清空并以一定条件释放。
  4. 结束阶段：触发注册过的回调逻辑，将终结器的无效对象加入终结器队列单独处理。

3.2 内存分配

  • 大内存：GC_HBLKFreeList查找空闲块(以4k为单位分配hblk内存块，每个对应一份hblkhdr内存分页信息)/系统调用分配
  • 小内存(2k以下)：数据对齐后ok_FreeList（每个数组固定大小为MAXOBJGRANULES+1，取决于32/64位环境(128/256)）查找/GC_HBLKFreeList查找空闲块/系统调用分配

  • BoehmGC分配的内存有多种不同类型，几种常见的内置内存类型如下：

    • PTRFREE： 无引用类型，如int数组，string等，不需要标记回收
    • NORMAL： 常规类型，需要参与标记和回收
    • UNCOLLECTABLE： GC内存管理使用的内存，不需要标记回收

  • hblkhdr信息：由GC_HBLKFreeList分配内存时生成，hblk块分配/拆分时生成hdr对象，hblk合并或者释放时回收hdr对象

    • hb_sz：表示hblk块大小
    • hb_marks：当hblk被拆分成小内存，hb_marks用来标记哪些小内存块被使用（1个bit一小块）

  • 托管堆分配：

    • 托管堆内存不足时会调用GC_collect_or_expand，首先尝试执行GC，如果内存依然不足则要分配新内存
      下面blocks_to_get计算的就是实际需要分配的内存大小
      Block单位为4K，内存分配最小值为256K，最大值为16M，
      其中参数GC_free_space_divisor=3，大体上就是按托管堆1/3大小+当前请求内存大小，
      如果大于16M则取当前请求内存和16M中的较大者，小于256K则按256K分配
        blocks_to_get = GC_heapsize/(HBLKSIZE* GC_free_space_divisor) + needed_blocks;
        if (blocks_to_get > MAXHINCR) {
              word slop;

              /* Get the minimum required to make it likely that we can satisfy */
              /* the current request in the presence of black-listing.          */
              /* This will probably be more than MAXHINCR.                      */
              if (ignore_off_page) {
                slop = 4;
              } else
            {
                slop = 2 * divHBLKSZ(BL_LIMIT);
                if (slop > needed_blocks) slop = needed_blocks;
            }
            if (needed_blocks + slop > MAXHINCR)
            {
                blocks_to_get = needed_blocks + slop;
            }
            else
            {
                blocks_to_get = MAXHINCR;
            }
        }

3.3 新版本Incremental GC 渐进式GC

解决了主线程卡顿问题，会进行分帧GC，减轻峰值的诞生

  • 分解的是标记阶段
  • 对象发生变化、下一次迭代中需要再次扫描已更改的对象。因此导致永远搜集不玩的情况，此时会回退到执行完整的非增量手机。
  • 若饮用改变过多，增量GC的性能会比非增量差。（更改引用通知GC造成的开销）
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原BohemGC 启用增量式GC

3.4 IL2CPP GC

GC的机制Unity进行了重写，升级版Bohem

3.5内存最佳实践

  • 用Destory别用NULL
  • CLass VS Struct
  • 池中池，对高频使用小组件单独建立内存池
  • 闭包和匿名函数：编成一个匿名的Class
  • 协程：没有被释放的长期存在的内存，请即用即丢
  • 配置表：几个G干进内存（切分、分关）
  • 单例：Singleton长期存在占用内存

资料来源