[翻译]在GC上加入DPAD

本文90%通过机器翻译，另外10%译者按照自己的理解进行翻译，和原文相比有所删减，可能与原文并不是一一对应，但是意思基本一致。

译者水平有限，如果错漏欢迎批评指正

译者@Bing Translator、@InCerry，另外感谢@Hex、@晓青、@贾佬、@黑洞百忙之中抽出时间帮忙review和检查错误。

原文链接：https://devblogs.microsoft.com/dotnet/put-a-dpad-on-that-gc/

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这是在说什么？是的，我们有一个在区域【原文叫region】上叫做DPAD的新功能。区域是我们目前在.NET 6中用于替换段【原文叫segment】的新东西。在这篇博文中，我将首先对区域做一些介绍，然后谈谈DPAD功能。请注意，我们不太可能在.NET 6.0结束时正式支持区域，因为这涉及到很多工作--我们目前的计划是在clrgc.dll中把它作为一个实验性的功能，你可以通过配置来打开。事实上，这就是我希望从现在开始的大型GC功能的发布方式，我们首先将它们与独立的GC一起发布（即在clrgc.dll中），这样人们就可以尝试它们，然后我们在coreclr.dll中正式开启它们，这样它们就默认开启了。

原本.NET的GC是分段式GC，也就是说GC管理内存的单位是段，而现在改了，改成区域了，另外这一段中Maoni大佬其实透露三个重要的信息：

1. 段内存分配的方式结束了，将使用区域的方式来替代段内存分配。
2. .NET 6.0中大概率不会支持区域，但是会通过clrgc.dll的方式独立提供，你可以通过配置的方法打开，大家要注意这个独立提供，因为从.NET Core 2.1开始我们就可以自定义GC了，也就是说你开心的话，可以自己写一个GC，然后替换掉.NET自带的GC；使用的环境变量是这个link，另外也有大佬实现了一个Zero GC link，你只需要实现几个接口，就可以自定义GC。
3. 以后.NET上GC重大功能的发布都会遵循这样一个步骤：功能开发 => 单独发布到clrgc.dll => 公开测试修复bug => 正式发布到coreclr.dll

到目前为止，如你所知，我们一直在段上运作。段多年来为我们提供了很好的服务，但我开始注意到它的局限性，因为人们把更多种类的工作负载放在我们的框架上。段是我们内存管理的基础，所以从段转换成区域是件大事。当我们接近.NET 6发布时，我决定是时候摆脱段式了，所以这是我们的团队最近花费大量时间的地方。那么，段和区域之间的主要区别是什么？段是大的内存单位--在Server GC 64-bit上，如果段的大小是1GB、2GB或4GB（在工作站模式下更小-256MB），而区域是小得多的单位，它们默认为每个4MB。所以你可能会问，"所以它们更小，为什么有意义？"。要回答这个问题，首先让我们回顾一下段是如何工作的。

如果您看不明白上面的这一段文字，那么建议您先补一下基础的知识，微软的官方文档。里面详细的介绍了.NET GC的基础知识，包括什么是分代、垃圾回收的过程、服务器GC与工作站GC、并发GC、后台GC等等。

目前，当我们只有一个段时，SOH在堆上是这样的：

当我们有多个段时，它可以看起来像这样

蓝色和黄色的空间是一个段上所有已提交【已提交：是指由操作系统分配给应用程序使用的内存】的内存（关于Gen【代】开始的解释，请看这个视频，）。每个段都会记录该段上已提交的内容，以便我们知道是否需要提交更多。而该段上的所有空闲空间也是已提交的内存。当我们使用空闲空间来容纳对象时，这很有效，因为我们可以立即使用内存--它已经被提交。但是想象一下这样的场景：我们在某一代有空闲空间，比如说gen0，因为有一些异步IO正在进行，导致我们在gen0中降级了一堆pin对象，但我们实际上并没有使用（这可能是由于没有等待这么长时间来做下一次GC，或者我们已经积累了太多的活着的对象，这意味着GC暂停会太长）。如果我们能将这些空闲空间用于其他代，如果他们需要的话，那不是很好吗？gen2和LOH中的空闲空间也是一样的--你可能在gen2中有一些空闲空间，如果能用它们来分配一些大的对象就好了。我们在段上做撤销提交【uncommit：已提交的反向操作】，但只是在段的末端，也就是在该段上最后一个活对象之后（由每个段末端的浅灰色空间表示）。而如果你有pin对象，就阻止了GC收回段的末端，那么只能形成自由空间，而自由空间里是已提交的内存。当然，你可能会问，"为什么不直接把有大量自由空间的段的中间部分取消提交？"。但这需要记录，以记住段中间的哪些部分被解密，所以当我们想用它们来分配对象时，我们需要重新提交它们。而现在，我们已经进入了区域的概念，也就是让更小的内存量被GC单独操作。

如果您看不懂上面这段文字，那么说明您需要翻阅一下下面这些资料，来了解已提交内存、pin对象、固定对象堆等等

有了区域，各代人看起来是统一的，我们不再有这种 "短暂的片段 "概念。我们有gen0和gen1区域，就像我们有gen2区域一样。

当然，每一代的区域数量可能有很大的不同。但它们都由这些小的内存单元组成。LOH的区域确实更大（LOH是SOH区域大小的8倍，所以每个32MB）。当我们释放一个区域时，我们将其返回到自由区域池中，该池中的区域可以被任何一代抓取，甚至在需要时被任何其他堆抓取。因此，你不会再看到这样的情况：你在gen2或LOH中有一些巨大的空闲空间，但它们很长时间都没有被使用（如果你的应用程序的行为经历了一些阶段，其中一个阶段可能比另一个阶段生存更多的内存，而GC认为没有必要做一个完整的压缩GC，这种情况就可能发生）。

在GC工作中，我们总是要做出权衡。有了区域，我们确实获得了很多灵活性。但我们也不得不放弃一些东西。有一件事使段非常有吸引力，那就是我们确实有一个连续的短暂范围，因为gen0和gen1总是生活在短暂的段上，而且总是紧挨着。当我们在写 屏障中设置卡片时【在GC有一个card tables，用来记录对象之间的跨代引用，另外就是实现写屏障，详细可以翻阅《.NET Core底层入门》P289】，我们利用了这个优势。如果你做obj0.f = obj1，并且我们检测到obj1不在短暂的范围内。我们不需要设置卡片，因为我们不需要它（只有当obj1比obj0处于更年轻的一代时才需要设置卡片，如果obj1不在短暂的范围内，这意味着它要么在gen2，要么在LOH/POH，这些都被逻辑上认为是第二代的一部分（但内部被追踪为gen3和gen4，我在这篇文章中互换使用LOH和gen3）。而这意味着它要么与obj0处于同一代，要么处于比obj0更早的一代）。) 但是我们只对工作站GC做了这个优化，因为服务器GC有多个短暂的范围，我们不想在写屏障代码时要和所有的范围进行比较。在区域中，我们要么无条件地设置卡片（这将使Workstation GC的暂停倒退一些，但对Server GC保持相同的性能），要么在写屏障中检查obj1的区域，这将比在最优化的写屏障类型中检查短暂范围更昂贵。不过区域带来的好处应该比这更有说服力。

现在我们可以谈一谈DPAD功能。DPAD是动态升级和降级的意思。严格来说，降级已经是动态的了，因为它只根据Pin对象的情况动态发生。如果你读过我的备忘录，那里解释了降级（如果你没读过，我强烈建议你读mem-doc）。基本上，降级意味着一个对象不会像正常情况下那样得到提升。对于段来说，降级意味着我们将暂存段的一个范围设置为 "降级范围"，这个范围只能从暂存段的中间一点到该段的末端。换句话说，我们永远不会把短暂段中间的一个范围设置为降级范围。这正是因为对于段，gen1必须在短暂段的gen0之前（在同一个堆上）。所以我们不能有一个gen1的部分，接着是gen0的部分，然后再接着是gen1的部分。

升级是GC中一个常见的概念--它意味着如果一个对象存活了一代，它现在被认为是上一代的一部分。因此，如果你在SOH上有一个长期生存的小对象，它最终会被提升到gen2。但这意味着这需要2次GC才能实现。我正计划提供一个API，让用户可以选择告诉GC将一个新的对象直接分配到某一代，所以你可以将你知道会存活到gen2的对象直接分配到gen2中（到目前为止我还没有实现这个API，因为有区域的支持也会更容易，所以我正计划在我们转换到区域时实现它）。但这并不包括所有的情况，因为有时用户很难知道一个对象是否会 "很可能存活到gen2"。而且你可能正在使用一个库，对这些对象的分配没有控制。一个非常明显的情况是，这种情况会发生在数据基础设施的大小调整上。比方说，你或你使用的库分配了一个List，它需要增加容量。所以它分配了一个新的T[]对象，可以容纳两倍于旧对象的元素数量。现在它为第二部分创建了一堆子元素。现在，如果新的数组足够大，可以上LOH，而且新的子元素都是小对象，所以它们在gen0 -

通过上文的描述，Maoni大佬的团队计划实现一个GC的API，可以让用户指定你的对象分配到某一代中（默认都是从G0开始）。

比如我们经常会有这样一些场景，我们在程序启动的时候会去读一些数据，将它们缓存到内存中，这些缓存直到程序关闭才会释放，也就是说开发者能知道最终它会到gen2；如果没有这个API，那么你缓存的对象将从gen0开始，经过两次GC才到gen2，一般缓存的数据都比较大，导致GC在标记和整理过程中会花更多的实际，而且可能由于可用内存不足，会频繁的去申请空间；如果有了这个API，开发者就能将对象直接分配到gen2，避免了gen0和gen1的GC，也避免了频繁扩容空间。

(为了说明问题，我只展示了一个8元素的数组和4个新的孩子，如果这是一个对象[]，显然它需要更多的元素才能进入LOH)

在片段的情况下，我们会看到这样的情况：

由于新的数组被认为是gen2的一部分，这意味着所有在gen0中创建的新元素都将存活到gen2中（除非gen2的GC很快发生，并发现父数组已经死亡，这有可能发生，但可能性不大；如果真的发生，那就非常不幸了，因为你花了这么大代价创建一个大对象，却马上把它抛弃）。但要做到这一点，它至少需要经过两次GC。我们很有可能首先观察到一个gen0或gen1的GC，这个GC会让这些孩子生存到gen1。

然后下一个gen1的GC会发现他们都还活着，因为他们被LOH中的那个阵列保持着活力。现在它把它们都提升到Gen2

在这种情况下，我们更愿意直接将它们分配到gen2。但是这对段来说是很难做到的。我们可以跟踪哪些对象由这些对象组成，或者主要由这些对象组成，但是当我们做标记时，我们不知道哪些对象会一起形成插头【Plug，被翻译成插头，详情可以看《.NET内存管理宝典》P371和《.NET Core底层入门》P323】。而当我们在形成插头时，我们已经失去了这些信息。我们可以在更大的颗粒度上跟踪这些信息。但你猜怎么着，这基本上就像区域一样！因为我们想把这些信息划分到不同的区域。因为我们想把一个区段划分成更小的单位来跟踪这些信息。所以对于区域来说，这是很容易的。当我们做标记时，我们确切地知道每个区域上有多少存活下来的东西--当我们标记每个对象时，我们跟踪我们需要把存活下来的字节归于哪个区域。所以我们知道有多少存活是由卡片标记完成的。

对于区域，当我们遇到一个主要由对象组成的区域时，如这些因卡片标记而被保留的子对象，我们有一个选择：

我们可以选择将这个区域直接分配到gen2 ：

因此，该区域被并入gen2。属于gen0的另一个区域的幸存者被压缩到gen1区域，gen0得到一个新的区域用于分配。

在目前的实现中，我只对那些主要被像这样的对象填满的区域做了这个工作。由于区域很小，很可能有些区域被这些东西填满，然后我们有另一个区域部分被这些东西填满，部分被一些真正的临时对象填满。把它们分开的复杂性是不值得的（你可以把它看作是我们回到了这个特定区域的片段情况）。

当我们这样做时，会有一些复杂的情况（对于GC来说，几乎总是有一些复杂的情况......）。一个例子是，由于我们现在只是让gen0的对象在gen2中生存，我们需要确保如果它们指向任何不是gen2的代，就需要为这些对象设置卡片。当我们在重新定位阶段通过活着的对象时，我们会这样做（因为无论如何我们已经必须通过每个对象）。

所以双关语（部分）的意思是，这个DPAD功能有点像D-pad......你可以告诉一个区域它需要去哪个方向--向上或向下（在GC术语中是指年长或年轻）。有很多情况下，我们想动态地提升或降低一个区域，我上面举的例子只是其中之一。重点是，有了区域，我们可以动态地指定一个我们希望一个区域最终处于的代数，因为代数不再是连续的，而且没有特定的顺序，代数必须是相对的（当然，正如你在上面看到的，有一些实施细节需要为不同的场景所关注）。这比我们以前用分段做的有限的降级要灵活得多。而当我们在GC结束时对区域进行线程化处理时，我们只需要将它们线程化到它们所分配的区域。随着我对DPAD的初步检查，我已经实现了3个场景，我们将动态地促进或降级区域。在未来，我们会实现更多。

从maoni大佬的这篇文章我们可以看到主流的GC设计都越来越趋于一致了，第一眼看到region的时候我就想到了JVM上的ZGC（多占用一些内存和牺牲一定的吞吐量来达到亚毫秒级的STW时间），而目前看来.NET也在做类似的事情，不过我也不敢肯定，那么region能为我们带来什么呢，有得也有失：

• 通常情况下会有更少的内存占用，特殊情况下更多的内存占用。因为region的一般来说只有4MB大小，而segment会有1GB~4GB大小，另外对于pin住的对象，segment也不能很好的进行处理，从而造成了内存碎片，会占用跟多的空间；region还有的有点就是释放后会返回到一个池中，哪个代需要使用就可以分配给哪个代，这比segment模式更加灵活，更能复用已申请的内存。为什么会说通常情况下，那是因为同样使用1GB内存region的数量肯定比segment要多，所以需要有额外的空间来记录region的引用，当堆很大(比如TB级别以上)，可能会占用更多的内存。
• 更少的STW时间。region很小，所以进行"标记-整理"中整理的步骤时，可以将整个region升代，加快了整理的的速度。
• 吞吐量的下降。由于region上gen0和gen1不会在连续的地址空间上，所以内存屏障付出的代价会更大，从而造成吞吐量的下降，在此之前.NET的GC都是为吞吐量和P99延时优化的。

现在关于DPAD的代码已经合并到main分支中了，详情可以看这个PR，相信很快就能和我们见面，不过看了maoni大佬提交的代码，发现个有趣的东西。

• Region只支持64位操作系统。从下图中的提交来看，限定了只有64位操作系统才能使用，让我不禁想到ZGC的染色指针，通过染色指针来减少写屏障的使用，进一步降低STW时间。如果支持了染色指针那么标记可能也会采用三色标记，主流的GC算法也趋于一致了。

• 和Hex大佬讨论了一下，后面觉得除了azul的C4算法以外.NET GC也有可能会采用CoCo算法来实现，CoCo也是一种低延时的算法，具体可以看看这篇论文，而且已经有人在.NET上实现了这个。

如果您想更详细的了解.NET的GC和整个实现的原理，您可以看.NET Runtime部分的源码和.NET GC架构师Maoni大佬的博客，另外也有两本不错的书推荐。

• 《.NET Core底层入门》：由国内精通C++ 汇编的大佬从2017年阅读CLR源码后编写，写的十分详细并且具有极大的参考意义，主要是介绍CoreCLR的，中间GC的部分也写的很清楚。

• 《.NET 内存管理宝典》：由国外研究.NET GC的大佬编写，主要围绕着.NET的内存分配、GC执行流程、问题诊断进行介绍，是一本不可多得的好书。

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