c# - 如何避免长生命周期字符串导致第 2 代垃圾回收

Question

我有一个应用程序，我将日志字符串保存在循环缓冲区中。当日志变满时，对于每个新插入，旧字符串将被释放以进行垃圾收集，然后它们将进入第 2 代内存。因此，最终会发生第 2 代 GC，我希望避免这种情况。

我试图将字符串编码为一个结构。令人惊讶的是，我仍然得到第 2 代 GC:s。似乎该结构仍然保留对字符串的一些引用。下面是完整的控制台应用程序。任何帮助表示赞赏。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
using System.Linq;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace ConsoleApplication
{
    class Program
    {

        [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
        public struct FixedString
        {
            [MarshalAs(UnmanagedType.ByValTStr, SizeConst = 256)]
            private string str;

            public FixedString(string str)
            {
                this.str = str;
            }
        }

        [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
        public struct UTF8PackedString
        {
            private int length;

            [MarshalAs(UnmanagedType.ByValArray, SizeConst = 256)]
            private byte[] str;

            public UTF8PackedString(int length)
            {
                this.length = length;
                str = new byte[length];
            }

            public static implicit operator UTF8PackedString(string str)
            {
                var obj = new UTF8PackedString(Encoding.UTF8.GetByteCount(str));
                var bytes = Encoding.UTF8.GetBytes(str);
                Array.Copy(bytes, obj.str, obj.length);
                return obj;
            }
        }

        const int BufferSize = 1000000;
        const int LoopCount = 10000000;

        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("{0}\t{1}\t{2}\t{3}\t{4}",
                "Type".PadRight(20), "Time", "GC(0)", "GC(1)", "GC(2)");
            Console.WriteLine();
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                TestPerformance<string>(s => s);
                TestPerformance<FixedString>(s => new FixedString(s));
                TestPerformance<UTF8PackedString>(s => s);
                Console.WriteLine();
            }
            Console.ReadKey();
        }

        private static void TestPerformance<T>(Func<string, T> func)
        {
            var buffer = new T[BufferSize];
            GC.Collect(2);
            Stopwatch stopWatch = new Stopwatch();
            var initialCollectionCounts = new int[] { GC.CollectionCount(0), GC.CollectionCount(1), GC.CollectionCount(2) };
            stopWatch.Reset();
            stopWatch.Start();
            for (int i = 0; i < LoopCount; i++)
                buffer[i % BufferSize] = func(i.ToString());
            stopWatch.Stop();
            Console.WriteLine("{0}\t{1}\t{2}\t{3}\t{4}",
                typeof(T).Name.PadRight(20),
                stopWatch.ElapsedMilliseconds,
                (GC.CollectionCount(0) - initialCollectionCounts[0]),
                (GC.CollectionCount(1) - initialCollectionCounts[1]),
                (GC.CollectionCount(2) - initialCollectionCounts[2])
            );
        }
    }
}

编辑:使用 UnsafeFixedString 更新代码以完成所需的工作:

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
using System.Linq;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace ConsoleApplication
{
    class Program
    {
        public unsafe struct UnsafeFixedString
        {
            private int length;

            private fixed char str[256];

            public UnsafeFixedString(int length)
            {
                this.length = length;
            }

            public static implicit operator UnsafeFixedString(string str)
            {
                var obj = new UnsafeFixedString(str.Length);
                for (int i = 0; i < str.Length; i++)
                    obj.str[i] = str[i];                
                return obj;
            }
        }

        const int BufferSize = 1000000;
        const int LoopCount = 10000000;

        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("{0}\t{1}\t{2}\t{3}\t{4}",
                "Type".PadRight(20), "Time", "GC(0)", "GC(1)", "GC(2)");
            Console.WriteLine();
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                TestPerformance(s => s);
                TestPerformance<UnsafeFixedString>(s => s);
                Console.WriteLine();
            }
            Console.ReadKey();
        }

        private static void TestPerformance<T>(Func<string, T> func)
        {
            var buffer = new T[BufferSize];
            GC.Collect(2);
            Stopwatch stopWatch = new Stopwatch();
            var initialCollectionCounts = new int[] { GC.CollectionCount(0), GC.CollectionCount(1), GC.CollectionCount(2) };
            stopWatch.Reset();
            stopWatch.Start();
            for (int i = 0; i < LoopCount; i++)
                buffer[i % BufferSize] = func(String.Format("{0}", i));
            stopWatch.Stop();
            Console.WriteLine("{0}\t{1}\t{2}\t{3}\t{4}",
                typeof(T).Name.PadRight(20),
                stopWatch.ElapsedMilliseconds,
                (GC.CollectionCount(0) - initialCollectionCounts[0]),
                (GC.CollectionCount(1) - initialCollectionCounts[1]),
                (GC.CollectionCount(2) - initialCollectionCounts[2])
            );
        }
    }
}

我电脑上的输出是:

Type                    Time    GC(0)   GC(1)   GC(2)

String                  5746    160     71      19
UnsafeFixedString       5345    418     0       0

Answer 1

struct 不足为奇用string字段在这里有所作为:a string字段总是只是对托管堆上对象的引用——具体来说，一个string某处的对象。 string仍将存在并最终仍会导致 GC2。

“解决”这个问题的唯一方法是完全不将其作为对象；唯一的方法(不完全超出托管内存)是使用 fixed缓冲区:

public unsafe struct FixedString
{
    private fixed char str[100];
}

在这里，每个 结构实例 FixedString为数据保留了 200 个字节。 str只是 char* 的相对偏移量这标志着这个保留的开始。然而，处理这个很棘手 - 并且需要 unsafe整个代码。另请注意，每个 FixedString无论您实际上是想存储 3 个字符还是 170 个字符，都会保留相同数量的空间。为避免内存问题，您需要使用空终止符或单独存储有效负载长度。

请注意，在 .NET 4.5 中， <gcAllowVeryLargeObjects> 支持使得拥有此类值的适当大小的数组(例如 FixedString[] )成为可能 - 但请注意，您不想经常复制数据。为避免这种情况，您需要始终在数组中留出空闲空间(这样您就不会复制整个数组只是为了添加一项)，并通过 ref 处理单个项。 ，即

FixedString[] data = ...
int index = ...
ProcessItem(ref data[index]);

void ProcessItem(ref FixedString item) {
    // ...
}

在这里item直接与数组中的元素对话——我们在任何时候都没有复制数据。

现在我们只有一个对象 - 数组本身。