.NET GC工作流程

前言

在上文[如何獲取GC的STW時間]一文中，我們聊到了如何通過監聽GC發出的診斷事件來計算STW時間。里面只簡單的介紹了幾種GC事件和它的流程。
群里就有小伙伴在問，那么GC事件是什么時候產生的？分別是代表什么含義？
那么在本文就通過幾個圖為大家解答一下這個問題。

有哪些GC模式？

工作站和服務器模式

在.NET中，GC其實有一些不同的工作模式，根據客戶端和服務器可以分為如下兩種模式：

Workstation GC

Workstation GC（工作站GC），這種模式主要是為了滿足基于UI的交互式應用程序設計的，交互式意味著GC的暫停時間要盡可能的短。因為我們不想因為觸發GC導致較長的GC停頓。

  • GC會更頻繁的發生，每次暫停時間都會很短。

  • 內存占用率更低，因為GC更頻繁的發生，所以內存回收的更積極，占用率也會更低。

  • 無論是否有配置多CPU核心，垃圾回收始終只使用一個CPU核心，只有一個托管堆。

  • 內存段的大小設置會很小。

Server GC

Server GC （服務器GC），這種模式主要是為了滿足基于請求處理的WEB等類型應用程序設計的，這意味著它更側重于需要滿足大的吞吐量，零星的停頓不會對齊產生重大的影響。

  • GC的發生頻率會降低，優先滿足大吞吐量。

  • 內存占用率會更高，因為GC發生的頻率變低，內存中可能會有很多垃圾對象。

  • 垃圾回收使用高優先級運行在多個專用線程上。每個CPU核心都提供執行垃圾回收的專用線程和堆，每個CPU核心上的堆都包含小對象、大對象堆。

  • 因為多個垃圾回收線程一起工作，所以對于相同大小的堆，Server GC會回收的更快一些。

  • 服務器垃圾回收通常會有更大的Segment，另外也會占用更多的資源。

并發與非并發模式

另外根據GC相對于用戶線程的操作方式，還可以分為下面兩種方式：

Non-Concurrent

Non-Concurrent（非并發GC），這種方式是一直存在于.NET中的，它適用于工作站和服務器模式，在GC進行過程中，所有的用戶線程都會掛起。

Concurrent（已過時）

Concurrent （并發GC），并發GC模式它和用戶線程同時工作，GC進行過程中只有少數幾個過程需要掛起用戶線程。所以它的實現也更加復雜，但是暫停時間會更短，性能也會更好，不過現在它已經過時，本文不會著重描述它。

Background

Background（后臺GC），在.NET Framework 4.0以后，后臺GC取代了并發GC，它只適用于Gen2的回收，但是它可以觸發對于Gen0、Gen1的回收。根據WorkstationGC和ServerGC的模式會分別在一個或多個線程上執行。

GC工作流程

需要知道的GC事件

其實對于我們分析GC的工作來說，上文中提到的幾個事件已經足夠使用了，讓我們再來回顧一下這些事件。

Microsoft-Windows-DotNETRuntime/GC/SuspendEEStart	//開始暫停托管線程運行Microsoft-Windows-DotNETRuntime/GC/SuspendEEStop	//暫停托管線程完成Microsoft-Windows-DotNETRuntime/GC/Start	// GC開始回收Microsoft-Windows-DotNETRuntime/GC/Stop		// GC回收結束Microsoft-Windows-DotNETRuntime/GC/RestartEEStart	//恢復之前暫停的托管線程Microsoft-Windows-DotNETRuntime/GC/RestartEEStop	//恢復托管線程運行完成

圖例

為了讓大家能更清晰的看懂下面的圖，會用不同形狀和顏色的圖像來代表不同的含義，如下方所示：

fb61f247f17318aee6d5803ea73c34e8.png

綠色：正在運行的用戶線程。
紅色：執行引擎進行線程凍結或線程恢復。
實線箭頭：正在運行的GC線程。
虛線箭頭：被暫停的線程。
黃色圓球：GC事件。
紅色圓球：標記點。

WorkstationGC模式-非后臺(并發)GC

下圖是WorkStationGC（非后臺）模式的執行流程，我們假設它是在一個雙核的機器上運行（下文中都是假設在雙核機器上運行），運行過程其實就像下圖所示。

72330904cf45db96782eda30bf20c699.png

在上圖中的事件流如下所示：

  1. GC/SuspendEEStart

  2. GC/SuspendEEStop

  3. GC/Start

  4. GC/Stop

  5. GC/RestartEEStart

  6. GC/RestartEEStop

其中各個標記點分別完成了如下工作：

  • A->B：暫停所有用戶線程

  • B->C: 挑選一個用戶線程作為GC線程，然后開始進行垃圾回收

    • 選擇-需要被回收的一代

    • 標記-被回收的一代和更年輕一代對象

    • 計劃-GC決定是需要壓縮整理堆還是只是清掃堆就夠了

    • 清掃、搬遷和壓縮-根據上面計劃的結果，執行清掃堆，或者搬遷活著的對象然后整理堆，最后所有對象的地址更新到新地址。

  • C->D: GC工作結束，恢復線程運行
    由于GC暫停了所有的線程，所以A->D就是此類GC的STW Time時間。

ServerGC模式-非后臺(并發)GC

下圖是ServerGC（非后臺）模式的執行流程。
7d21e7ebddff17d8cdc6d5c1491afb9a.png

它與WorkstationGC模式的事件流和完成的工作都一致，唯一不同的就是它會根據當前的CPU邏輯核心數量創建單獨的GC線程，比如上圖就有2個GC線程。
另外在服務器GC模式中，用戶線程還是可以作為GC線程來使用的，像用戶線程1在GC發生的時候就做了一些GC工作。

WorkstationGC模式-后臺GC

下圖是WorkstationGC（后臺）模式的執行流程，可以看到后臺模式還是相當復雜的，會短暫的暫停多次，每一次都會執行不同的操作。
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除了工作線程GC以外，另外會有單獨的后臺GC線程進行后臺垃圾回收。
上圖中的事件流如下所示：

  1. GC/SuspendEEStart

  2. GC/SuspendEEStop

  3. GC/Start

  4. GC/RestartEEStart

  5. GC/RestartEEStop

  6. GC/SuspendEEStart

  7. GC/SuspendEEStop

  8. GC/RestartEEStart

  9. GC/RestartEEStop

  10. GC/SuspendEEStart

  11. GC/SuspendEEStop

  12. GC/Start

  13. GC/Stop

  14. GC/RestartEEStart

  15. GC/RestartEEStop

  16. GC/Stop

其中各個標記點完成的工作如下所示：

  • A->B：初始選擇、標記

    • 此時用戶線程是暫停的

    • 選擇需要被回收的一代

    • 找到GC roots，以便并發標記

  • B->C：并發標記

    • 此時用戶線程是正常運行的

    • 從上一步中找到的GC roots開始標記需要被回收的一代和年輕的代

  • D->E：最終標記

    • 此時用戶線程是暫停的

    • 掃描在并發標記過頁面，看看是否有修改讓對象重新活過來的

  • F->G：清掃小對象堆

    • 此時用戶線程是正常運行的

    • 清掃小對象堆的對象

  • H->I：壓縮整理小對象堆、清掃壓縮整理大對象堆

    • 此時用戶線程是暫停的

    • 選擇了一個用戶線程進行GC

    • 用來壓縮小對象堆的對象

    • 另外也會壓縮和整理大對象堆對象

  • J->K：清掃大對象堆

    • 此時用戶線程是正常運行的

    • 此時會清掃和整理大的對象堆

    • 此時會禁止分配大對象，阻塞對應線程直到大對象堆回收完成

從上面的的流程中可以看到，后臺GC主要是通過并發+多次短暫暫停來實現提升吞吐量和降低總體的STW Time的，其內部實現是非常復雜的，有興趣的小伙伴可以直接看dotnet/runtime/gc.cpp文件。

ServerGC模式-非后臺GC

下圖是ServerGC（后臺）模式的執行流程。
696cca275c1d665b038dc3cbaa8008f0.png
它與WorkstationGC模式的事件流和完成的工作都一致，唯一不同的就是它會根據當前的CPU邏輯核心數量創建單獨的GC線程，比如上圖就有2個GC線程，2個后臺GC線程。

總結

今天帶了解了一下.NET GC中的各個階段和事件的順序，當然這里只是簡單的帶大家了解一下，要知道在任何有runtime的平臺中，GC是其中相當關鍵的東西，大家如果對GC感興趣，可以閱讀附錄中的資料。

附錄

  • https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/garbage-collection/

  • https://github.com/dotnet/runtime/blob/main/src/coreclr/gc/gc.cpp

  • https://netcoreimpl.github.io/

  • http://www.tup.tsinghua.edu.cn/booksCenter/book_08454701.html

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