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.Net Discovery系列之十-深入理解平台机制与性能影响(上)

    转眼间《.Net Discovery》系列文章已经推出1年了,本文为该系列的第10-13篇文章,在本文中将对以前所讲的.Net平台知识做一个小小的总结与机制分析,引出并重点介绍这些机制对程序性能的影响与改进建议。
    本文将分为四部分,分别讲述了:垃圾回收机制、即时编译机制、异常处理机制、字符串驻驻留机制的原理与性能改进建议。《.Net Discovery》系列的每篇文章撰写耗时都在2天以上,转载时麻烦著名作者Aicken(李鸣),并且未经作者同意,禁止一切商业用途!
    一.关于垃圾回收机制
    ● 机制分析
    垃圾收集器是.Net平台的一个特性,它自动回收托管堆上不再使用的对象,及时清理内存,这一切都是对开发人员透明的,当然你也可以手动把它召唤出来,它的本质就是跟踪所有被引用到的对象,整理对象不再被引用的对象,回收相应的内存。垃圾收集机制采用“标记与清除(Mark Sweep)”算法来完成上述任务,整个过程分为两步:
    Step 1.Mark-Sweep :从应用程序的root出发,利用相互引用关系,遍历其在Heap上动态分配的所有对象,指明需要回收的对象,标记出那些存活的对象,予以标记。
    Step 2.Compact: 对内存中存活的对象进行移动,修改它们的指针,使之在内存中连续,这样空闲的内存也就连续了,即完成了内存释放工作,也解决了内存碎片问题,这个过程也可以成为指针的压缩。
    垃圾收集器一般将托管堆中的对象分为3代,这可以通过调用GC.MaxGeneration得知,对象按照存在时间长短进行分代,最短的分在第0代,最长的分在第2代,第2代中的对象往往是比较大的,第二代空间被称作Large Object Heap,对于2代对象的回收,与第0、1代回收方式相比最大的不同在于,没有了指针移动的压缩过程。
    如下图,第一次GC时,左边第一列A-F表示内存中的对象,位于浅蓝色 区域,经过Mark后,ACDF标记为可用,Sweep过程清除了BE,Compact过程移动了ACDF,使之位于连续存储区域中;第二次使用绿色做标记;第三次GC使用蓝色表示标记;可以看出第三次GC过程没有了指针移动的压缩过程。

图1 对象的回收

    ●性能影响分析
    这个过程看起来有点复杂,的确垃圾收集器的启动是会占用一些CPU时间,从而影响系统的性能,但这种影响很有限,并且这些损失是有所值的。
    1.垃圾收集器并不是没有规律的启动,而是当代龄达到一定触发条件时启动,而且垃圾收集器只是移动代龄较低的1、2代的资源,并不会移动LOH中的对象。这就在一定程度上避免了GC长时间锁定线程导致的性能损失。
    2.GC有三种不同的工作模式,适用于不同环境的情况,并不是所有环境都是“使用挂起->查找与标记->压缩->恢复” 的流程。“Workstation GC with Concurrent”模式可以第0、1代的收集仍然是要暂时挂起应用程序,在收集第2代时,会并行处理,具体原理是将Full GC过程切分成多个短暂子过程对线程进行冻结,在线程冻结时间之外,应用程序仍然可以正常运行。这主要通过将0代空间设置的很大,使Full GC时,CLR仍然能够在0代中进行内存分配,如果Full GC时0代内存也已用尽,那么应用程序将被挂起,等待Full GC的完成。
    在多CPU的情况下,可以使用和“Server GC”模式。这种GC模式有着很高的性能和效率。这种模式下,CLR为每个CPU创建一个专用的GC线程,每个CPU可以独立的为相应的heap执行GC操作,这些GC线程是以非并发的形式工作的,收集工作与线程正常工作不能同时进行,这就是说第0、1、2代的收集都会挂起应用线程。
    在.Net 4.0中,有一种新的垃圾收集机制,叫做后台收集。这种机制以concurrent GC为基础的,如上文所讲,Workstation GC with Concurrent模式中,在Full GC过程时,CLR仍然能够在0代中进行内存分配,如果Full GC时0代内存也已用尽,那么应用程序将被挂起,等待Full GC的完成。
    3.垃圾收集器是配合策略引擎工作的。策略引擎可以唤醒GC,它会根据GC启动的次数、频率、代龄情况等自发的启动GC,使GC工作。特别要注意的是,由程序人员手动的调用GC收集的代码,同样会影响策略引擎的工作,这样会给策略引擎错误的信号,从而导致GC的错误启动,所以在没有必要的情况下,一般不建议使用GC.Collect();手动回收。
    ● 综述
    比起垃圾收集器带来的微乎的性能损失,我们应该把精力放在程序的优化上,非托管资源的及时释放、字符串拼接、循环内的业务代码都是需要注意的地方。垃圾收集机制不是.Net也不是Java的专利,它已经有一段进化的历史,越来越多的案例也证明垃圾收集机制的优点,Exchange 2010的大部分模块就是基于托管环境的。
    二.关于实时编译机制
    JIT(Just In Time简称JIT)是.Net边运行边编译的一种机制,这种机制的命名来源于丰田汽车在20世纪60年代实行的一种生产方式,中文译为“准时制”。
    .Net 的JIT编译器在设计初衷和运行方式来上讲,都与丰田汽车的这种“准时生产”思想体系有着很大的相似之处,所以让我们先来透过“准时生产”方式来理解.Net的JIT机制吧。
    “准时生产”的基本思想可概括为“在需要的时候,按需要的量生产所需的产品”,这正是.Net JIT编译器的设计初衷,即在需要的时候编译需要的代码。

未完

      下一篇中,Aicken将会结合Windbg为大家介绍.Net JIT机制以及其带来的性能问题,敬请期待。

      我是Aicken(李鸣) 请您继续关注我的下一篇文章。

 


    PS:怎么发随笔时,原来的编辑器不见了?取而代之的是只有HTML的编辑界面,而且用Windows live日志发布在哪里选择博客园的“首页发布选项”?这年头进步的让人莫名其妙!

“.Net Discovery 系列”是讲解.Net平台本质的文章,现在已经有:

    .Net Discovery 系列之七--深入理解.Net垃圾收集机制(拾贝篇) 发布在新年第一秒

    .Net Discovery 系列之五--Me JIT(深入浅出.Net JIT 上)

    .Net Discovery 系列之六--Me JIT(深入浅出.Net JIT 下)

    .Net Discovery 系列之三--深入理解.Net垃圾收集机制(上)

    .Net Discovery 系列之四--深入理解.Net垃圾收集机制(下)

    .Net Discovery 系列之一--string从入门到精通(上)

    .Net Discovery 系列之二--string从入门到精通(下)

posted on 2010-04-06 10:35 Aicken(李鸣) 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏