二十一、托管堆与垃圾回收（ManagedHeapGarbage）

CLR #cg

托管堆与垃圾回收(ManagedHeap&GarbageCollection)

内存管理是确保应用程序性能和稳定性的关键。CLR（公共语言运行时）通过其强大的垃圾回收（Garbage Collection, GC）机制，自动管理内存分配和释放，极大地简化了开发者的工作。

1. 什么是托管堆和垃圾回收？

CLR 的托管堆是一个内存区域，用于存储 .NET 应用程序中的对象。垃圾回收器（GC）负责跟踪和管理这些对象的生命周期，自动回收不再使用的内存。CLR 的 GC 采用 标记-清除 算法，具体步骤如下：

标记阶段：GC 从应用程序的“根”（如局部变量、静态字段）开始，遍历所有可达对象，将其标记为“可达”（reachable）。GC 会检查堆中的对象 A、C、D、F，发现对象 D 引用了对象 H，因此 H 也被标记为可达。
清除阶段：未标记的对象被视为不可达（unreachable），其内存将被回收。回收后，第 0 代不包含任何对象，释放的内存可供新对象分配。

这种机制确保了应用程序只需关注业务逻辑，而无需手动管理内存释放。

2. 分代垃圾回收：优化性能的关键

CLR 的垃圾回收器采用 分代垃圾回收（generational garbage collector），将对象分为三代（第 0 代、第 1 代、第 2 代），以提高回收效率。

第 0 代：新分配的对象位于第 0 代，通常是短期存活对象。如果第 0 代满了，GC 会触发回收，回收不可达对象并将存活对象提升到第 1 代。
第 1 代：存活过一次回收的对象进入第 1 代。如果第 1 代满了，GC 会检查第 0 代和第 1 代，存活对象提升到第 2 代。
第 2 代：长期存活的对象位于第 2 代。第 2 代回收较少发生，因为这些对象通常是应用程序的核心组件。

分代机制基于一个假设：新分配的对象通常寿命较短，而存活时间长的对象更可能继续存活。通过减少对第 2 代的检查，GC 显著提高了性能。GC 会根据内存负载动态调整各代的预算，进一步优化回收效率。

3. 性能优化：主动控制垃圾回收

虽然 GC 自动管理内存，但开发者可以通过一些方法优化性能：

强制垃圾回收：System.GC.Collect 方法允许强制触发垃圾回收。可以通过指定代数（int32 generation）和模式（GCCollectionMode）来控制回收范围。例如：
```
GC.Collect(2, GCCollectionMode.Optimized, true);
```
建议在非重复性事件（如保存工作状态后）调用 Collect，但应谨慎使用，以免干扰 GC 的自动优化。
LowLatency 模式：在低延迟场景（如实时应用程序）中，可以启用 LowLatency 模式，减少 GC 暂停时间。但此模式可能增加 OutOfMemoryException 的风险，因此应尽量缩短使用时间，并通过 Interlocked 方法安全切换模式：
```
GCLatencyMode oldMode = GCSettings.LatencyMode;
try {
    GCSettings.LatencyMode = GCLatencyMode.LowLatency;
    // 执行低延迟操作
} finally {
    GCSettings.LatencyMode = oldMode;
}
```
GC 通知：GCNotification 类允许监听第 0 代或第 2 代的回收事件，帮助开发者分析内存使用情况：
```
GCNotification.GCDone += (generation) => {
    Console.WriteLine($"GC 完成，第 {generation} 代");
};
```

4. 资源清理：Finalize 与 SafeHandle

除了内存管理，CLR 还需要处理非托管资源（如文件句柄、数据库连接）的清理。

避免直接重写 Finalize：Object.Finalize 方法用于清理非托管资源，但直接重写复杂且易出错。建议使用 SafeHandle 或 CriticalHandle。

SafeHandle：System.Runtime.InteropServices.SafeHandle 是一个抽象类，封装了非托管资源的安全释放。开发者应从 SafeHandle 派生自定义类，并实现 ReleaseHandle 方法：

public class MySafeHandle : SafeHandle {
    public MySafeHandle() : base(IntPtr.Zero, true) { }
    public override bool IsInvalid => handle == IntPtr.Zero;
    protected override bool ReleaseHandle() {
        // 释放非托管资源
        return true;
    }
}

CriticalHandle：CriticalHandle 适用于需要更高可靠性的场景，但功能较少，通常不直接使用。

通过 SafeHandle，CLR 确保资源在对象不可达时安全释放，同时支持 IDisposable 模式以显式清理。

5. 调试与分析工具

ETW（Event Tracing for Windows）：用于跟踪 CLR 事件，分析内存分配和 GC 行为。
SOS Debugging Extension：通过 SOS.dll，开发者可以检查托管堆状态，定位内存泄漏。

这些工具对于优化大型 .NET 应用程序尤为重要。

6. 最佳实践

CLR 的垃圾回收机制通过托管堆和分代回收，极大地简化了内存管理。开发者可以通过以下实践优化性能：

尽量减少大对象分配，优先使用对象池。
在性能敏感场景下，谨慎使用 GC.Collect 和 LowLatency 模式。
使用 SafeHandle 管理非托管资源，避免直接操作 Finalize。
利用 GCNotification 和 ETW 工具监控内存使用。

7.Unity 开发实践中的建议

减少对象分配以降低 GC 压力

章节依据：第21章提到，分代垃圾回收（generational GC）将新对象分配到第 0 代，频繁分配会导致第 0 代填满，触发 GC。

实践建议：

使用 对象池（Object Pooling）来复用 GameObject 或组件，避免频繁实例化。例如，子弹、敌人等高频创建的对象应通过对象池管理：

public class BulletPool : MonoBehaviour {
    private List<GameObject> pool = new List<GameObject>();
    public GameObject bulletPrefab;
    public GameObject GetBullet() {
        foreach (var bullet in pool) {
            if (!bullet.activeInHierarchy) return bullet;
        }
        var newBullet = Instantiate(bulletPrefab);
        pool.Add(newBullet);
        return newBullet;
    }
}

避免在 Update 等高频调用的方法中创建临时对象（如字符串拼接或 new 关键字），因为这些对象会快速填满第 0 代。

// 避免
void Update() { string fps = "FPS: " + (1f / Time.deltaTime); }
// 优化
private StringBuilder sb = new StringBuilder();
void Update() { sb.Clear().Append("FPS: ").Append(1f / Time.deltaTime); }

谨慎使用值类型和引用类型

章节依据：第21章提到，引用类型（如类）存储在托管堆上，受 GC 管理，而值类型（如结构体）通常存储在栈上，分配更快。
实践建议：
- 在性能敏感场景（如粒子系统或物理计算）中使用结构体代替类，减少堆分配。例如，Unity 的 Vector3 是结构体，适合高频操作。
- 避免在循环中创建大量临时引用类型对象。例如，List<T>.Add 在扩容时可能分配新数组，触发 GC。预分配足够容量：
```
List<int> numbers = new List<int>(100); // 预分配容量
```

监控和优化 GC 触发

章节依据：第21章提到，GC 触发会导致应用程序暂停，影响性能。GCNotification 类可用于监控 GC 事件。
实践建议：
- 使用 Unity 的 Profiler 检查 GC 分配和暂停时间，定位内存分配热点。
- 在非关键帧（如场景加载后）手动触发 GC，减少运行时暂停：
```
void OnLevelLoaded() { System.GC.Collect(); }
```
- 在移动设备上，考虑启用 Incremental GC（Unity 2019.3+），分摊 GC 工作量，降低单帧暂停时间：
```
// 在 Unity 脚本中启用增量 GC（需检查 Unity 版本支持）
#if UNITY_2019_3_OR_NEWER
UnityEngine.Rendering.ScriptableRenderContext.GCSettings.isIncremental = true;
#endif
```

管理非托管资源

章节依据：第21章强调使用 SafeHandle 管理非托管资源（如文件句柄），避免直接重写 Finalize。

实践建议：

在 Unity 中使用插件（如调用原生 C++ 代码）时，确保通过 SafeHandle 或 IDisposable 模式释放非托管资源。例如，处理纹理或音频句柄时：

public class NativePlugin : SafeHandle {
    public NativePlugin() : base(IntPtr.Zero, true) { }
    public override bool IsInvalid => handle == IntPtr.Zero;
    protected override bool ReleaseHandle() {
        // 调用原生方法释放资源
        NativeMethods.ReleaseResource(handle);
        return true;
    }
}

实现 IDisposable 模式，确保资源在 OnDestroy 或 OnDisable 时释放：

public class ResourceHolder : MonoBehaviour, IDisposable {
    private bool disposed = false;
    public void Dispose() {
        if (!disposed) {
            // 释放资源
            disposed = true;
        }
    }
    void OnDestroy() { Dispose(); }
}

优化大对象分配

章节依据：第21章提到，大对象（>85KB）直接分配到第 2 代，增加 GC 负担。
实践建议：
- 避免创建大数组或大型纹理对象，尽量分割为较小的块。例如，加载大纹理时使用压缩格式或分块加载。
- 使用 Unity 的 Addressables 系统异步加载资源，减少一次性内存分配：
```
async void LoadAssetAsync() {
    var handle = Addressables.LoadAssetAsync<Texture2D>("texture");
    await handle.Task;
    Texture2D texture = handle.Result;
}
```

低延迟场景优化

章节依据：第21章提到 LowLatency 模式可减少 GC 暂停，但需谨慎使用。

实践建议：

在 Unity 的实时多人游戏或 VR 应用中，临时启用 LowLatency 模式以确保低延迟：

void StartCriticalSection() {
    var oldMode = System.Runtime.GCSettings.LatencyMode;
    System.Runtime.GCSettings.LatencyMode = System.Runtime.GCLatencyMode.LowLatency;
    // 执行关键逻辑
    System.Runtime.GCSettings.LatencyMode = oldMode;
}

避免在 LowLatency 模式下分配大对象，以免触发 OutOfMemoryException。

8.Unity 面试题及答案

问题：Unity 中的垃圾回收如何影响游戏性能？如何检测 GC 相关问题？
- 答案： Unity 使用 Mono（或 IL2CPP）的垃圾回收器，基于分代 GC（第 0、1、2 代）。GC 触发时会暂停应用程序，扫描托管堆，回收不可达对象，可能导致帧率下降（卡顿）。频繁分配短期对象（如在 Update 中创建字符串）会填满第 0 代，增加 GC 频率。
  检测方法：
  - 使用 Unity Profiler 的 Memory 视图，检查 GC 分配峰值和暂停时间。
  - 启用 GCNotification 监听 GC 事件，记录第 0 代或第 2 代回收频率（参考第21章）。
    优化方法：
  - 使用对象池复用 GameObject。
  - 避免在高频方法中分配内存（如字符串拼接）。
  - 在非关键时刻手动调用 System.GC.Collect()，如场景切换后。
问题：如何在 Unity 中减少垃圾回收的频率？
- 答案：减少 GC 频率的关键是降低托管堆的对象分配，尤其是在第 0 代（参考第21章的分代 GC）。
  - 对象池：复用 GameObject 或组件，避免频繁 Instantiate 和 Destroy。
  - 值类型：使用结构体（如 Vector3）代替类，减少堆分配。
  - 预分配容器：初始化 List<T> 或数组时指定足够容量，避免扩容分配。
  - 字符串优化：使用 StringBuilder 代替字符串拼接。
  - 增量 GC：在 Unity 2019.3+ 中启用增量 GC，分摊 GC 工作量，减少单帧暂停。
```
List<GameObject> enemies = new List<GameObject>(50); // 预分配容量
StringBuilder sb = new StringBuilder(); // 避免字符串分配
```
问题：什么是 SafeHandle？在 Unity 中如何使用它管理非托管资源？
- 答案：
  SafeHandle 是 .NET 提供的一个抽象类，用于安全管理非托管资源（如文件句柄、原生插件资源），避免直接重写 Finalize（参考第21章）。它实现了 IDisposable 和终结器，确保资源在对象不可达时安全释放。
  在 Unity 中的使用：当调用原生插件（如 C++ 代码）时，SafeHandle 可管理插件返回的句柄。例如：
```
public class NativeTextureHandle : SafeHandle {
    public NativeTextureHandle() : base(IntPtr.Zero, true) { }
    public override bool IsInvalid => handle == IntPtr.Zero;
    protected override bool ReleaseHandle() {
        NativePlugin.ReleaseTexture(handle);
        return true;
    }
}
```
  在 Unity 的 MonoBehaviour 中，实现 IDisposable 并在 OnDestroy 中调用 Dispose：
```
public class TextureManager : MonoBehaviour, IDisposable {
    private NativeTextureHandle textureHandle;
    public void Dispose() => textureHandle?.Dispose();
    void OnDestroy() => Dispose();
}
```
问题：在 Unity 中何时需要手动调用 GC.Collect？有哪些风险？
- 答案： System.GC.Collect 强制触发垃圾回收，适合在内存分配高峰后（如场景加载）清理不可达对象。
  使用场景：
  - 场景切换后，清理上一场景的临时对象。
  - 大型资源加载（如纹理）后，确保释放未引用内存。
    风险：
  - 频繁调用会干扰 GC 的自动优化，增加 CPU 开销。
  - 可能导致不必要的暂停，影响帧率。
    最佳实践：
  - 仅在明确需要时调用（如加载完成后）。
  - 结合 GCNotification 监控 GC 行为，确保调用时机合理：
```
void OnSceneLoaded() {
    System.GC.Collect();
    Debug.Log("GC 触发完成");
}
```
问题：Unity 中如何处理大对象分配以减少 GC 负担？
- 答案：大对象（>85KB）直接分配到第 2 代，增加 GC 负担。在 Unity 中，大对象常见于纹理、网格或大数组。
  优化方法：
  - 分块加载：将大纹理分割为小块，使用 Texture2D 的分块加载（如 Texture2D.ReadPixels）。
  - Addressables：使用 Unity 的 Addressables 系统异步加载资源，减少一次性分配：
```
async void LoadLargeTexture() {
    var handle = Addressables.LoadAssetAsync<Texture2D>("largeTexture");
    await handle.Task;
}
```
  - 对象池：为大对象（如粒子系统）创建对象池，复用内存。
  - 压缩格式：使用压缩纹理格式（如 ETC2 或 ASTC）减少内存占用。
  - 避免动态分配大数组，预估容量并复用：
```
byte[] buffer = new byte[100000]; // 预分配大数组
```

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posted @ 2025-08-26 10:08 世纪末の魔术师阅读(23) 评论(0) 收藏举报

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二十一、托管堆与垃圾回收（ManagedHeapGarbage）

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托管堆与垃圾回收(ManagedHeap&GarbageCollection)

1. 什么是托管堆和垃圾回收？

2. 分代垃圾回收：优化性能的关键

3. 性能优化：主动控制垃圾回收

4. 资源清理：Finalize 与 SafeHandle

5. 调试与分析工具

6. 最佳实践

7.Unity 开发实践中的建议

减少对象分配以降低 GC 压力

谨慎使用值类型和引用类型

监控和优化 GC 触发

管理非托管资源

优化大对象分配

低延迟场景优化

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