关于GC的原理和 Unity 中如何针对 GC 进行优化的建议

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1. 应用程序内存结构

应用程序内存空间通常划分为五个部分

1.1 静态/全局存储区

存放全局和静态变量，静态分配的，在程序执行的最开是分配，后面不会再增长

1.2 常量存储区

存储程序中的常量

1.3 代码段

存放程序执行代码的内存区域，在程序运行之前就已经确定了，通常是只读的，当多个进程运行同样的程序时，可以使用同一个代码段

1.4 栈

栈是一块连续的内存区域，栈的容量由系统规定，栈底地址在程序初始化时就确定了。栈通常用来存储局部变量、函数的参数和返回值

• 快速存取
  栈最大的特点是快速存取，这是因为操作系统本身就支持栈这种数据结构，有专门的寄存器指向栈底，同时有专门的汇编指令进行入栈和出栈操作
• 内存分配特点
  定义局部变量时进行分配，或函数参数/返回值自动分配和入栈。
  在栈中分配内存是连续的，不会产生碎片，且栈的分配是从高地址往低地址方向增长
• 内存释放
  当变量超出作用域时，系统自动释放

1.5 堆

堆主要用来存放动态分配的对象，堆的大小由系统内存/虚拟内存的上限决定

• 堆的分配特点
  通常使用 new 和 malloc来动态分配。堆的分配效率比较低。系统通常使用一个链表记录堆中所有空闲区域的首地址指针，当进行内存分配时，需要遍历链表，来选取一个大小足够容纳的区域进行分配，然后修改链表中的指针值；如果没有找到足够的空间，会调用系统接口来增加，因此堆的分配效率比较低，且容易生成内存碎片。另外，堆的分配是从低地址往高地址增长
• 内存释放
  需要调用 delete 或 free 来主动释放

2. 内存管理方式

主流的内存管理方式包括三种：手动管理、引用计数和垃圾回收(Garbege Collect，GC)

2.1 手动管理

• 管理方式
  手动调用 malloc 或 new 进行分配，手动调用 free 或 delete 进行释放回收
• 优点
  速度快，无额外开销
• 缺点
  较难管理，必须明确跟踪对象使用情况，容易产生分配后未回收导致内存泄漏、错误回收导致野指针、空指针等问题

2.2 引用计数

• 管理方式
  对象使用时计数器 +1，使用完毕计数器 -1，当计数器为 0 时进行销毁
• 优点
  半自动管理，切速度较快
• 缺点
  存在循环引用的情况，会导致内存泄漏

2.3 垃圾回收(GC)

• 管理方式
  自动进行垃圾回收
• 优点
  整个过程是全自动的，用户几乎不需要参与内存的管理，并且不存在循环引用的问题
• 缺点
  在进行垃圾回收时需要停止所有线程 Stop the World

3. .Net/Java 中 GC 的原理

3.1 堆内存划分区域

堆内存区域划分

将堆内存划分为年轻代、老年代和永久代

• 年轻代
  年轻代主要存放新创建的对象，内存大小相对会比较小，垃圾回收会比较频繁。年轻代又被划分为 Eden 区、Survivor 区，Survivor 区分为 S1 和 S2 区，Eden 区和 S1、S2 区的大小比通常为 8:1:1，年轻代内存的代销和 Eden 区和 Survivor 区的大小比例都可以通过 JVM 参数来进行设置
• 老年代
  老年代主要存放系统认为生命周期比较长的对象，区域大小相对会比较大，垃圾回收也相对没有那么频繁
• 永久代
  持久代主要存放类定义、字节码和常量等很少会变更的信息

3.2 内存分配过程

当需要为一个对象分配内存时，过程大概是

• 一般对象往 Eden 区分配，查看 Eden 区中的空间是否足够容纳对象，如果足够则在 Eden 区进行分配
• Eden 区容纳不下该对象时，触发 MinorGC，结束后重新分配
• 大对象直接往老年代分配，若容纳不下将触发 FullGC，结束后重新分配

3.3 GC 触发时机

以下几种情况会触发 GC：

• 在 Eden 区分配时空间不足，触发 MinorGC
• 大对象分配，老年代空间不足，触发 FullGC
• 主动调用 GC.Collect 时，触发 FullGC

3.4 GC 过程和算法

3.4.1 年轻代基于复制的 GC 算法

执行在年轻代的 GC 也称之为 MinorGC，过程如下

• 遍历 Eden 区和 S0 区，计算每个对象是否存活，存活对象全部复制到 S1 区，然后清空 Eden 和 S0 区
• 此过程中若 S1 区空间不够存放对象，对象直接进入老年区
• Eden 区和 S0 区的对象，每复制一次年龄 + 1，年龄超过某个阈值（默认为15，可以通过 JVM 参数设置），进入老年代
• 清空 Eden 和 S0 区后，S0 区和 S1 区互换，下一次 Minor GC 触发时 S0 区用来接收 Eden 区和 S1 区的存活对象

3.4.2 老年代标记-清除的 GC 算法

执行于老年代的 GC，也成为 Major GC，其中一种算法是标记-清除算法，过程如下

• 第一趟遍历对象列表，标记所有未存活对象
• 第二趟遍历对象列表，清除所有未存活对象
  标记-清除算法存在问题：
  清除的对象很可能不在连续空间，容易产生内存碎片，随着时间推移，连续的内存区域越来越少，一次稍微大一点的分配就可能触发 GC，导致 GC 会越来越频繁

3.4.3 老年代标记-整理的 GC 算法

另外一种算法改进了标记-清除算法的问题，称为标记-整理算法，过程如下

• 第一趟遍历对象，标记所有未存活对象
• 第二趟遍历对象，进行整理，将所有存活对象复制到连续区域：使用 memmove 移动内存空间，同时修改引用该对象的指针值
  标记-整理的问题是效率稍微低一些

3.4.3 GC时如何判断对象是否存活

• 可达性算法：如果对象 A 到对象 B 存在引用链路，说明 A 为 B 的可达对象
• 判断对象 A 是否存活：遍历程序的 根对象列表，若 A 为任何根对象的可达对象，则A为存活对象

3.4.4 哪些对象是根对象

可以作为根对象来进行可达性判定的对象包括：

• 栈中的局部变量
• 类静态变量
• 全局变量和常量

3.4.5 Minor GC，Major GC 和 FullGC

Minor GC 是发生在年轻代中的 GC，触发较为频繁，Major GC 是发生在老年代中的 GC，相对不频繁，触发 FullGC 时会先执行 Minor GC，然后执行 Major GC

4. Unity 中的 GC

4.1 Unity 中GC的特性

• Stop the World
  Unity 不支持多线程 GC，要停止所有线程，GC才能继续执行。即便 Unity 2019 引入了增量式GC，将 GC 操作分散到不同帧当中，仍然是需要停止所有线程的
• 不分代
  Unity 中的托管堆内存未分代，只要触发 GC，就是 FullGC
• 不整理
  Unity 中 GC 算法是基于标记-清除算法，不会和并对象空间，容易造成内存碎片，且 GC 频率会越来越高

4.2 Unity 中关于 GC 优化的建议

4.2.1 减少对象的大小

合理安排类或结构体的字段声明顺序，以优化其对象的内存布局进而减少对象大小，结构体可以使用 StructLayout 属性

关于结构体，结构体本身是值类型。若结构体中不包含引用类型时，针对结构体的 new 操作不会造成 GCAlloc，但若结构体中包含引用类型字段，如 string 或数组等，那么在对结构体执行 new 操作时会产生 GC Alloc

4.2.2 降低内存分配的频次

也就是尽量减少 GCAlloc

• 减少引用类临时对象的分配，传递结构类型的参数时，如果对象尺寸超过 IntPtr.Size 时，采用引用传递方式，参数加关键字 ref，类类型的对象本身已经是引用传值了，不会生成临时对象
• 使用泛型优化装箱，例如 void Func(object o) 方法在传值类型参数时会进行装箱，使用 void Func<T>(T o) 则不会产生装箱，但泛型在 IL2cpp 时会生成多中类型对应的代码
• 可变参数的方法，先定义常用参数个数的方法，再定义可变参数方法，确保绝大多数调用是固定个数的方法。如 string.Format方法是将1个、2个和3个参数的方法单独提出，另外再实现一个可变参数的方法
• 缓存某些 Get 类方法或属性的结果，例如不要使用 GameObject.name 和 GameObject.tag，但GameObject.CompareTag() 方法不会产生 GCAlloc
• 尽量减少装箱和拆箱
• 不要在 Update 等频次较高的方法中分配堆内存
• 使用对象池
• 事先申请足量的容器尺寸，避免申请尺寸不足时添加元素造成的复制和重新申请操作
• 字符串本身是引用类型，字符串连接时会申请新的空间，所以尽量避免字符串拼接
• 协程 yield return 0 应该使用 yield return null 来替代，避免装箱
• 协程 yield return new WaitForSeconds 应该先将 new WaitForSeconds 缓存下来

5. 查看 Android 应用的内存情况

4.2.3 在适当的时机主动调用 GC.Collect

例如在场景切换显示加载界面时调用，用户无感知

4.2.4 关于调试日志的字符串参数

正式版本中使用 unityLogger.logEnabled = false 仅仅只是不打日志，但字符串已经被分配内存，GC Alloc 还是产生了。解决方法是使用 Conditional 特性来处理日志输出，在正式版本中不要生成打印相关的代码，也不会有字符串的生成，减少了 GCAlloc