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.NET陷阱之奇怪的OutOfMemoryException

我們在開發(fā)過程中曾經(jīng)遇到過一個奇怪的問題：當(dāng)軟件加載了很多比較大規(guī)模的數(shù)據(jù)后，會偶爾出現(xiàn)OutOfMemoryException異常，但通過內(nèi)存檢查工具卻發(fā)現(xiàn)還有很多可用內(nèi)存。于是我們懷疑是可用內(nèi)存總量充足，但卻沒有足夠的連續(xù)內(nèi)存了——也就是說存在很多未分配的內(nèi)存空隙。但不是說.NET運行時的垃圾收集器會壓縮使用中的內(nèi)存，從而使已經(jīng)釋放的內(nèi)存空隙連成一片嗎？于是我深入研究了一下垃圾回收相關(guān)的內(nèi)容，最終明確的了問題所在——大對象堆（LOH）的使用。如果你也遇到過類似的問題或者對相關(guān)的細(xì)節(jié)有興趣的話，就繼續(xù)讀讀吧。

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如果沒有特殊說明，后面的敘述都是針對32位系統(tǒng)。

首先我們來探討另外一個問題：不考慮非托管內(nèi)存的使用，在最壞情況下，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)OutOfMemoryException異常時，有效的內(nèi)存（程序中有GC Root的對象所占用的內(nèi)存）使用量會是多大呢？2G？ 1G？ 500M？ 50M？或者更?。ㄊ遣皇且詾槲以陂_玩笑）？來看下面這段代碼（參考 https://www.simple-talk.com/dotnet/.net-framework/the-dangers-of-the-large-object-heap/）。

 
 
 
 
  
  
  
  public class Program  
  
  
  
   {  
  
  
  
       static void Main(string[] args)  
  
  
  
       {  
  
  
  
           var smallBlockSize = 90000;  
  
  
  
           var largeBlockSize = 1 << 24;  
  
  
  
           var count = 0;  
  
  
  
           var bigBlock = new byte[0];  
  
  
  
           try 
  
  
  
           {  
  
  
  
               var smallBlocks = new List();  
  
  
  
               while (true)  
  
  
  
               {  
  
  
  
                   GC.Collect();  
  
  
  
                   bigBlock = new byte[largeBlockSize];  
  
  
  
                   largeBlockSize++;  
  
  
  
                   smallBlocks.Add(new byte[smallBlockSize]);  
  
  
  
                   count++;  
  
  
  
               }  
  
  
  
           }  
  
  
  
           catch (OutOfMemoryException)  
  
  
  
           {  
  
  
  
               bigBlock = null;  
  
  
  
               GC.Collect();  
  
  
  
               Console.WriteLine("{0} Mb allocated",   
  
  
  
                   (count * smallBlockSize) / (1024 * 1024));  
  
  
  
           }  
  
  
  
             
  
  
  
           Console.ReadLine();  
  
  
  
       }  
  
  
  
   }

這段代碼不斷的交替分配一個較小的數(shù)組和一個較大的數(shù)組，其中較小數(shù)組的大小為90, 000字節(jié)，而較大數(shù)組的大小從16M字節(jié)開始，每次增加一個字節(jié)。如代碼第15行所示，在每一次循環(huán)中bigBlock都會引用新分配的大數(shù)組，從而使之前的大數(shù)組變成可以被垃圾回收的對象。在發(fā)生OutOfMemoryException時，實際上代碼會有count個小數(shù)組和一個大小為 16M + count 的大數(shù)組處于有效狀態(tài)。最后代碼輸出了異常發(fā)生時小數(shù)組所占用的內(nèi)存總量。

下面是在我的機器上的運行結(jié)果——和你的預(yù)測有多大差別？提醒一下，如果你要親自測試這段代碼，而你的機器是64位的話，一定要把生成目標(biāo)改為x86。

 
 
 
 
  
  
  
  23 Mb allocated

考慮到32位程序有2G的可用內(nèi)存，這里實現(xiàn)的使用率只有1%！

下面即介紹個中原因。需要說明的是，我只是想以最簡單的方式闡明問題，所以有些語言可能并不精確，可以參考http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc534993.aspx以獲得更詳細(xì)的說明。

.NET的垃圾回收機制基于“Generation”的概念，并且一共有G0, G1, G2三個Generation。一般情況下，每個新創(chuàng)建的對象都屬于于G0，對象每經(jīng)歷一次垃圾回收過程而未被回收時，就會進入下一個Generation（G0 -> G1 -> G2），但如果對象已經(jīng)處于G2，則它仍然會處于G2中。

軟件開始運行時，運行時會為每一個Generation預(yù)留一塊連續(xù)的內(nèi)存（這樣說并不嚴(yán)格，但不影響此問題的描述），同時會保持一個指向此內(nèi)存區(qū)域中尚未使用部分的指針P，當(dāng)需要為對象分配空間時，直接返回P所在的地址，并將P做相應(yīng)的調(diào)整即可，如下圖所示?！卷槺阏f一句，也正是因為這一技術(shù)，在.NET中創(chuàng)建一個對象要比在C或C++的堆中創(chuàng)建對象要快很多——當(dāng)然，是在后者不使用額外的內(nèi)存管理模塊的情況下。】

在對某個Generation進行垃圾回收時，運行時會先標(biāo)記所有可以從有效引用到達的對象，然后壓縮內(nèi)存空間，將有效對象集中到一起，而合并已回收的對象占用的空間，如下圖所示。

但是，問題就出在上面特別標(biāo)出的“一般情況”之外。.NET會將對象分成兩種情況區(qū)別對象，一種是大小小于85, 000字節(jié)的對象，稱之為小對象，它就對應(yīng)于前面描述的一般情況；另外一種是大小在85, 000之上的對象，稱之為大對象，就是它造成了前面示例代碼中內(nèi)存使用率的問題。在.NET中，所有大對象都是分配在另外一個特別的連續(xù)內(nèi)存（LOH, Large Object Heap）中的，而且，每個大對象在創(chuàng)建時即屬于G2，也就是說只有在進行Generation 2的垃圾回收時，才會處理LOH。而且在對LOH進行垃圾回收時不會壓縮內(nèi)存！更進一步，LOH上空間的使用方式也很特殊——當(dāng)分配一個大對象時，運行時會優(yōu)先嘗試在LOH的尾部進行分配，如果尾部空間不足，就會嘗試向操作系統(tǒng)請求更多的內(nèi)存空間，只有在這一步也失敗時，才會重新搜索之前無效對象留下的內(nèi)存空隙。如下圖所示：

從上到下看

1.LOH中已經(jīng)存在一個大小為85K的對象和一個大小為16M對象，當(dāng)需要分配另外一個大小為85K的對象時，會在尾部分配空間；

2.此時發(fā)生了一次垃圾回收，大小為16M的對象被回收，其占用的空間為未使用狀態(tài)，但運行時并沒有對LOH進行壓縮；

3.此時再分配一個大小為16.1M的對象時，分嘗試在LOH尾部分配，但尾部空間不足。所以，

4.運行時向操作系統(tǒng)請求額外的內(nèi)存，并將對象分配在尾部；

5.此時如果再需要分配一個大小為85K的對象，則優(yōu)先使用尾部的空間。

所以前面的示例代碼會造成LOH變成下面這個樣子，當(dāng)最后要分配16M + N的內(nèi)存時，因為前面已經(jīng)沒有任何一塊連續(xù)區(qū)域滿足要求時，所以就會引發(fā)OutOfMemoryExceptiojn異常。

要解決這一問題其實并不容易，但可以考慮下面的策略。

#p#

1.將比較大的對象分割成較小的對象，使每個小對象大小小于85, 000字節(jié)，從而不再分配在LOH上；

2.盡量“重用”少量的大對象，而不是分配很多大對象；

3.每隔一段時間就重啟一下程序。

最終我們發(fā)現(xiàn)，我們的軟件中使用數(shù)組（List）保存了一些曲線數(shù)據(jù)，而這些曲線的大小很可能會超過了85, 000字節(jié)，同時曲線對象的個數(shù)也非常多，從而對LOH造成了很大的壓力，甚至出現(xiàn)了文章開頭所描述的情況。針對這一情況，我們采用了策略1的方法，定義了一個類似C++中deque的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它以分塊內(nèi)存的方式存儲數(shù)據(jù)，而且保證每一塊的大小都小于85, 000，從而解決了這一問題。

此外要說的是，不要以為64位環(huán)境中可以忽略這一問題。雖然64位環(huán)境下有更大的內(nèi)存空間，但對于操作系統(tǒng)來說，.NET中的LOH會提交很大范圍的內(nèi)存區(qū)域，所以當(dāng)存在大量的內(nèi)存空隙時，即使不會出現(xiàn)OutOfMemoryException異常，也會使得內(nèi)頁頁面交換的頻率不斷上升，從而使軟件運行的越來越慢。

最后分享我們定義的分塊列表，它對IList接口的實現(xiàn)行為與List相同，代碼中只給出了比較重要的幾個方法。

 
 
 
 
  
  
  
  public class BlockList : IList  
  
  
  
   {  
  
  
  
       private static int maxAllocSize;  
  
  
  
       private static int initAllocSize;  
  
  
  
       private T[][] blocks;  
  
  
  
       private int blockCount;  
  
  
  
       private int[] blockSizes;  
  
  
  
       private int version;  
  
  
  
       private int countCache;  
  
  
  
       private int countCacheVersion;  
  
  
  
     
  
  
  
       static BlockList()  
  
  
  
       {  
  
  
  
           var type = typeof(T);  
  
  
  
           var size = type.IsValueType ? Marshal.SizeOf(default(T)) : IntPtr.Size;  
  
  
  
           maxAllocSize = 80000 / size;  
  
  
  
           initAllocSize = 8;  
  
  
  
       }  
  
  
  
     
  
  
  
       public BlockList()  
  
  
  
       {  
  
  
  
           blocks = new T[8][];  
  
  
  
           blockSizes = new int[8];  
  
  
  
           blockCount = 0;  
  
  
  
       }  
  
  
  
     
  
  
  
       public void Add(T item)  
  
  
  
       {  
  
  
  
           int blockId = 0, blockSize = 0;  
  
  
  
           if (blockCount == 0)  
  
  
  
           {  
  
  
  
               UseNewBlock();  
  
  
  
           }  
  
  
  
           else 
  
  
  
           {  
  
  
  
               blockId = blockCount - 1;  
  
  
  
               blockSize = blockSizes[blockId];  
  
  
  
               if (blockSize == blocks[blockId].Length)  
  
  
  
               {  
  
  
  
                   if (!ExpandBlock(blockId))  
  
  
  
                   {  
  
  
  
                       UseNewBlock();  
  
  
  
                       ++blockId;  
  
  
  
                       blockSize = 0;  
  
  
  
                   }  
  
  
  
               }  
  
  
  
           }  
  
  
  
     
  
  
  
           blocks[blockId][blockSize] = item;  
  
  
  
           ++blockSizes[blockId];  
  
  
  
           ++version;  
  
  
  
       }  
  
  
  
     
  
  
  
       public void Insert(int index, T item)  
  
  
  
       {  
  
  
  
           if (index > Count)  
  
  
  
           {  
  
  
  
               throw new ArgumentOutOfRangeException("index");  
  
  
  
           }  
  
  
  
     
  
  
  
           if (blockCount == 0)  
  
  
  
           {  
  
  
  
               UseNewBlock();  
  
  
  
               blocks[0][0] = item;  
  
  
  
               blockSizes[0] = 1;  
  
  
  
               ++version;  
  
  
  
               return;  
  
  
  
           }  
  
  
  
     
  
  
  
           for (int i = 0; i < blockCount; ++i)  
  
  
  
           {  
  
  
  
               if (index >= blockSizes[i])  
  
  
  
               {  
  
  
  
                   index -= blockSizes[i];  
  
  
  
                   continue;  
  
  
  
               }  
  
  
  
     
  
  
  
               if (blockSizes[i] < blocks[i].Length || ExpandBlock(i))  
  
  
  
               {  
  
  
  
                   for (var j = blockSizes[i]; j > index; --j)  
  
  
  
                   {  
  
  
  
                       blocks[i][j] = blocks[i][j - 1];  
  
  
  
                   }  
  
  
  
     
  
  
  
                   blocks[i][index] = item;  
  
  
  
                   ++blockSizes[i];  
  
  
  
                   break;  
  
  
  
               }  
  
  
  
     
  
  
  
               if (i == blockCount - 1)  
  
  
  
               {  
  
  
  
                   UseNewBlock();  
  
  
  
               }  
  
  
  
     
  
  
  
               if (blockSizes[i + 1] == blocks[i + 1].Length  
  
  
  
                   && !ExpandBlock(i + 1))  
  
  
  
               {  
  
  
  
                   UseNewBlock();  
  
  
  
                   var newBlock = blocks[blockCount - 1];  
  
  
  
                   for (int j = blockCount - 1; j > i + 1; --j)  
  
  
  
                   {  
  
  
  
                       blocks[j] = blocks[j - 1];  
  
  
  
                       blockSizes[j] = blockSizes[j - 1];  
  
  
  
                   }  
  
  
  
     
  
  
  
                   blocks[i + 1] = newBlock;  
  
  
  
                   blockSizes[i + 1] = 0;  
  
  
  
               }  
  
  
  
     
  
  
  
               var nextBlock = blocks[i + 1];  
  
  
  
               var nextBlockSize = blockSizes[i + 1];  
  
  
  
               for (var j = nextBlockSize; j > 0; --j)  
  
  
  
               {  
  
  
  
                   nextBlock[j] = nextBlock[j - 1];  
  
  
  
               }  
  
  
  
     
  
  
  
               nextBlock[0] = blocks[i][blockSizes[i] - 1];  
  
  
  
               ++blockSizes[i + 1];  
  
  
  
     
  
  
  
               for (var j = blockSizes[i] - 1; j > index; --j)  
  
  
  
               {  
  
  
  
                   blocks[i][j] = blocks[i][j - 1];  
  
  
  
               }  
  
  
  
     
  
  
  
               blocks[i][index] = item;  
  
  
  
               break;  
  
  
  
           }  
  
  
  
     
  
  
  
           ++version;  
  
  
  
       }  
  
  
  
     
  
  
  
       public void RemoveAt(int index)  
  
  
  
       {  
  
  
  
           if (index < 0 || index >= Count)  
  
  
  
           {  
  
  
  
               throw new ArgumentOutOfRangeException("index");  
  
  
  
           }  
  
  
  
     
  
  
  
           for (int i = 0; i < blockCount; ++i)  
  
  
  
           {  
  
  
  
               if (index >= blockSizes[i])  
  
  
  
               {  
  
  
  
                   index -= blockSizes[i];  
  
  
  
                   continue;  
  
  
  
               }  
  
  
  
     
  
  
  
               if (blockSizes[i] == 1)  
  
  
  
               {  
  
  
  
                   for (int j = i + 1; j < blockCount; ++j)  
  
  
  
                   {  
  
  
  
                       blocks[j - 1] = blocks[j];  
  
  
  
                       blockSizes[j - 1] = blockSizes[j];  
  
  
  
                   }  
  
  
  
     
  
  
  
                   blocks[blockCount - 1] = null;  
  
  
  
                   blockSizes[blockCount - 1] = 0;  
  
  
  
                   --blockCount;  
  
  
  
               }  
  
  
  
               else 
  
  
  
               {  
  
  
  
                   for (int j = index + 1; j < blockSizes[i]; ++j)  
  
  
  
                   {  
  
  
  
                       blocks[i][j - 1] = blocks[i][j];  
  
  
  
                   }  
  
  
  
     
  
  
  
                   blocks[i][blockSizes[i] - 1] = default(T);  
  
  
  
                   --blockSizes[i];  
  
  
  
               }  
  
  
  
     
  
  
  
               break;  
  
  
  
           }  
  
  
  
     
  
  
  
           ++version;  
  
  
  
       }  
  
  
  
     
  
  
  
       private bool ExpandBlock(int blockId)  
  
  
  
       {  
  
  
  
           var length = blocks[blockId].Length;  
  
  
  
           if (length == maxAllocSize)  
  
  
  
           {  
  
  
  
               return false;  
  
  
  
           }  
  
  
  
     
  
  
  
           length = Math.Min(length * 2, maxAllocSize);  
  
  
  
           Array.Resize(ref blocks[blockId], length);  
  
  
  
           return true;  
  
  
  
       }  
  
  
  
     
  
  
  
       private void UseNewBlock()  
  
  
  
       {  
  
  
  
           if (blockCount == blocks.Length)  
  
  
  
           {  
  
  
  
               Array.Resize(ref blocks, blockCount * 2);  
  
  
  
               Array.Resize(ref blockSizes, blockCount * 2);  
  
  
  
           }  
  
  
  
     
  
  
  
           blocks[blockCount] = new T[initAllocSize];  
  
  
  
           blockSizes[blockCount] = 0;  
  
  
  
           ++blockCount;  
  
  
  
       }  
  
  
  
   }

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