C# 后台GC 的前因后果

Posted 2022-08-06 格格巫 MMQ!!

一：背景

写这一篇的目的主要是因为.NET领域内几本关于阐述GC方面的书，都是纯理论，所以懂得人自然懂，不懂得人也没法亲自验证，这一篇我就用 windbg + 源码 让大家眼见为实。

二：为什么要引入后台GC

1. 后台GC到底解决了什么问题
   解决什么问题得先说有什么问题，我们知道 阻塞版GC 有一个显著得特点就是，在 GC 触发期间，所有的用户线程都被 暂停了，这里的 暂停 是一个统称，画图如下：

这种 STW（Stop The World） 模式相信大家都习以为常了，但这里有一个很大的问题，不管当前 GC 是临时代还是全量，还是压缩或者标记，all in 全冻结，这种简单粗暴的做法肯定是不可取的，也是 后台GC 引入的先决条件。

那 后台GC 到底解决了什么问题?

解决在 FullGC 模式下的 标记清除 回收期间，放飞用户线程。

虽然这是一个很好的 Idea，但复杂度绝对上了几个档次。

三：后台GC 详解

1. 后台 GC代码 骨架图
   源码面前，了无秘密，在coreclr 项目的 garbage-collection.md 文件中，描述了 后台GC 的代码流程图。

   GarbageCollectGeneration()
   
   SuspendEE();
   garbage_collect();
   RestartEE();
   

   garbage_collect()
   
   generation_to_condemn();
   // decide to do a background GC
   // wake up the background GC thread to do the work
   do_background_gc();
   

   do_background_gc()
   
   init_background_gc();
   start_c_gc ();

     //wait until restarted by the BGC.
     wait_to_proceed();
   

   bgc_thread_function()
   
   while (1)
   
   // wait on an event
   // wake up
   gc1();
   
   

   gc1()
   
   background_mark_phase();
   background_sweep();
   

可以清楚的看到就是在做 标记清除 且核心逻辑都在 background_mark_phase() 函数中，实现了标记的三个阶段： 1.初始标记， 2.并发标记 ，3.最终标记 , 其中 并发标记 阶段，用户线程是正常运行的，实现了将原来整个暂停 优化到了 2个小暂停。

2. 流程图分析
   为了方便说明，将三阶段画个图如下：

特别声明：阶段2的重启是在 background_sweep() 方法中，而不是 最终标记（background_mark_phase） 阶段。

初始标记
这个阶段用户线程处于暂停状态，bgc 要做的事情就是从 线程栈 和 终结器队列 中寻找用户根实现引用图遍历，然后再让所有用户线程启动，简化后的代码如下：

void gc_heap::background_mark_phase()

dprintf(3, (“BGC: stack marking”));
GCScan::GcScanRoots(background_promote_callback,
max_generation, max_generation,
&sc);

dprintf(3, ("BGC: finalization marking"));
finalize_queue->GcScanRoots(background_promote_callback, heap_number, 0);

restart_vm();

接下来怎么验证 阶段1 是暂停状态呢？ 为了方便讲述，先上一段测试代码：

internal class Program

    static List<string> list = new List<string>();

    static void Main(string[] args)
    
        Debugger.Break();
        for (int i = 0; i < int.MaxValue; i++)
        
            list.Add(String.Join(",", Enumerable.Range(0, 100)));

            if (i % 10 == 0) list.RemoveAt(0);
        
    

然后用 windbg 在 background_mark_phase 函数下一个断点：bp coreclr!WKS::gc_heap::background_mark_phase 即可。

0:009> bp coreclr!WKS::gc_heap::background_mark_phase
0:009> g
Breakpoint 1 hit
coreclr!WKS::gc_heap::background_mark_phase:
00007ff9`e7bf73f4 488bc4 mov rax,rsp
0:008> !t -special
Lock
DBG ID OSID ThreadOBJ State GC Mode GC Alloc Context Domain Count Apt Exception
0 1 55d8 00000000006336B0 2a020 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 MTA (GC)
6 2 568c 0000000000662F40 21220 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 Ukn (Finalizer)
8 4 5730 0000000000676A90 21220 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 Ukn

      OSID Special thread type
    0 55d8 SuspendEE 
    5 5688 DbgHelper 
    6 568c Finalizer 
    8 5730 GC 

可以清楚的看到，0号线程显示了 SuspendEE 字样，表示此时所有托管线程处于冻结状态。

并发标记
这个阶段就是各玩各的，用户线程在正常执行，bgc在后台进一步标记，因为是并行，所以存在 bgc 已标记好的对象引用关系被 用户线程 破坏，所以 bgc 用 reset_write_watch 函数借助 windows 的内存页监控，目的就是把那些脏页找出来，在下一个阶段来修正，简化后的代码如下：

void gc_heap::background_mark_phase()

disable_preemptive(true);

//脏页监控
reset_write_watch(TRUE);
revisit_written_pages(TRUE, TRUE);

dprintf(3, ("BGC: handle table marking"));
GCScan::GcScanHandles(background_promote,
	max_generation, max_generation,
	&sc);

disable_preemptive(false);

要想验证此时的用户线程是放飞的，可以在 revisit_written_pages 函数下一个断点即可，使用命令：bp coreclr!WKS::gc_heap::revisit_written_pages 。

0:008> bp coreclr!WKS::gc_heap::revisit_written_pages
0:008> g
coreclr!WKS::gc_heap::revisit_written_pages:
0:008> !t -special
Lock
DBG ID OSID ThreadOBJ State GC Mode GC Alloc Context Domain Count Apt Exception
0 1 55d8 00000000006336B0 2a020 Cooperative 000000000D1FD920:000000000D1FE120 000000000062d650 -00001 MTA
6 2 568c 0000000000662F40 21220 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 Ukn (Finalizer)
8 4 5730 0000000000676A90 21220 Cooperative 0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 Ukn

      OSID Special thread type
    5 5688 DbgHelper 
    6 568c Finalizer 
    8 5730 GC 

看到没有，那个 SuspendEE 神奇的消失了，而且 0 号线程的 GC 模式也改成了 Cooperative，表示可允许操控 托管堆。

最终标记
等 bgc 在后台做的差不多了，就可以再来一次 SupendEE，将 并发标记 期间由用户线程造成的脏引用进行最终一次修正，修正的数据来源就是监控到的 Windows脏页，代码就不上了，我们聊下怎么去验证阶段二又回到了 SuspendEE 状态？可以在 background_sweep() 函数下一个断点, 命令: bp coreclr!WKS::gc_heap::background_sweep 。

0:000> bp coreclr!WKS::gc_heap::background_sweep
0:000> g
coreclr!WKS::gc_heap::background_sweep:
00007ff9`e7b7a2e0 4053 push rbx
0:008> !t -special
Lock
DBG ID OSID ThreadOBJ State GC Mode GC Alloc Context Domain Count Apt Exception
0 1 55d8 00000000006336B0 2a020 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 MTA
6 2 568c 0000000000662F40 21220 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 Ukn (Finalizer)
8 4 5730 0000000000676A90 21220 Preemptive 0000000000000000:0000000000000000 000000000062d650 -00001 Ukn (GC)

      OSID Special thread type
    5 5688 DbgHelper 
    6 568c Finalizer 
    8 5730 GC SuspendEE 

哈哈，可以看到那个 SuspendEE 又回来了。

3. 后台GC 只会在 fullGC 模式下吗？
   这是最后一个要让大家眼见为实的问题，在gc触发期间，内部会维护一个 gc_mechanisms 结构体，其中就记录了当前 GC 触发的种种信息，可以用 windbg 把它导出来看看便知。

0:008> x coreclr!settings
00007ff9e7f82e90 coreclr!WKS::gc_heap::settings = class WKS::gc_mechanisms 0:008> dt coreclr!WKS::gc_heap::settings 00007ff9e7f82e90
+0x000 gc_index : 0xb3
+0x008 condemned_generation : 0n2
+0x00c promotion : 0n1
+0x010 compaction : 0n0
+0x014 loh_compaction : 0n0
+0x018 heap_expansion : 0n0
+0x01c concurrent : 1
+0x020 demotion : 0n0
+0x024 card_bundles : 0n1
+0x028 gen0_reduction_count : 0n0
+0x02c should_lock_elevation : 0n0
+0x030 elevation_locked_count : 0n0
+0x034 elevation_reduced : 0n0
+0x038 minimal_gc : 0n0
+0x03c reason : 0 ( reason_alloc_soh )
+0x040 pause_mode : 1 ( pause_interactive )
+0x044 found_finalizers : 0n1
+0x048 background_p : 0n0
+0x04c b_state : 0 ( bgc_not_in_process )
+0x050 allocations_allowed : 0n1
+0x054 stress_induced : 0n0
+0x058 entry_memory_load : 0x49
+0x060 entry_available_physical_mem : 0x00000001`0a50d000
+0x068 exit_memory_load : 0

从 condemned_generation=2 可知当前触发的是 2 代GC，原因是代满了 reason : 0 ( reason_alloc_soh ) 。