.NET陷阱之五：奇怪的OutOfMemoryException——大对象堆引起的问题与对策

我们在开发过程中曾经遇到过一个奇怪的问题：当软件加载了很多比较大规模的数据后，会偶尔出现OutOfMemoryException异常，但通过内存检查工具却发现还有很多可用内存。于是我们怀疑是可用内存总量充足，但却没有足够的连续内存了——也就是说存在很多未分配的内存空隙。但不是说.NET运行时的垃圾收集器会压缩使用中的内存，从而使已经释放的内存空隙连成一片吗？于是我深入研究了一下垃圾回收相关的内容，最终明确的了问题所在——大对象堆（LOH）的使用。如果你也遇到过类似的问题或者对相关的细节有兴趣的话，就继续读读吧。

如果没有特殊说明，后面的叙述都是针对32位系统。

首先我们来探讨另外一个问题：不考虑非托管内存的使用，在最坏情况下，当系统出现OutOfMemoryException异常时，有效的内存（程序中有GC Root的对象所占用的内存）使用量会是多大呢？2G？ 1G？ 500M？ 50M？或者更小（是不是以为我在开玩笑）？来看下面这段代码（参考 https://www.simple-talk.com/dotnet/.net-framework/the-dangers-of-the-large-object-heap/）。

 1 public class Program

 2 {

 3     static void Main(string[] args)

 4     {

 5         var smallBlockSize = 90000;

 6         var largeBlockSize = 1 << 24;

 7         var count = 0;

 8         var bigBlock = new byte[0];

 9         try

10         {

11             var smallBlocks = new List<byte[]>();

12             while (true)

13             {

14                 GC.Collect();

15                 bigBlock = new byte[largeBlockSize];

16                 largeBlockSize++;

17                 smallBlocks.Add(new byte[smallBlockSize]);

18                 count++;

19             }

20         }

21         catch (OutOfMemoryException)

22         {

23             bigBlock = null;

24             GC.Collect();

25             Console.WriteLine("{0} Mb allocated", 

26                 (count * smallBlockSize) / (1024 * 1024));

27         }

28         

29         Console.ReadLine();

30     }

31 }

这段代码不断的交替分配一个较小的数组和一个较大的数组，其中较小数组的大小为90, 000字节，而较大数组的大小从16M字节开始，每次增加一个字节。如代码第15行所示，在每一次循环中bigBlock都会引用新分配的大数组，从而使之前的大数组变成可以被垃圾回收的对象。在发生OutOfMemoryException时，实际上代码会有count个小数组和一个大小为 16M + count 的大数组处于有效状态。最后代码输出了异常发生时小数组所占用的内存总量。

下面是在我的机器上的运行结果——和你的预测有多大差别？提醒一下，如果你要亲自测试这段代码，而你的机器是64位的话，一定要把生成目标改为x86。

23 Mb allocated

考虑到32位程序有2G的可用内存，这里实现的使用率只有1%！

---

下面即介绍个中原因。需要说明的是，我只是想以最简单的方式阐明问题，所以有些语言可能并不精确，可以参考http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc534993.aspx以获得更详细的说明。

.NET的垃圾回收机制基于“Generation”的概念，并且一共有G0, G1, G2三个Generation。一般情况下，每个新创建的对象都属于于G0，对象每经历一次垃圾回收过程而未被回收时，就会进入下一个Generation（G0 -> G1 -> G2），但如果对象已经处于G2，则它仍然会处于G2中。

软件开始运行时，运行时会为每一个Generation预留一块连续的内存（这样说并不严格，但不影响此问题的描述），同时会保持一个指向此内存区域中尚未使用部分的指针P，当需要为对象分配空间时，直接返回P所在的地址，并将P做相应的调整即可，如下图所示。【顺便说一句，也正是因为这一技术，在.NET中创建一个对象要比在C或C++的堆中创建对象要快很多——当然，是在后者不使用额外的内存管理模块的情况下。】

在对某个Generation进行垃圾回收时，运行时会先标记所有可以从有效引用到达的对象，然后压缩内存空间，将有效对象集中到一起，而合并已回收的对象占用的空间，如下图所示。

但是，问题就出在上面特别标出的“一般情况”之外。.NET会将对象分成两种情况区别对象，一种是大小小于85, 000字节的对象，称之为小对象，它就对应于前面描述的一般情况；另外一种是大小在85, 000之上的对象，称之为大对象，就是它造成了前面示例代码中内存使用率的问题。在.NET中，所有大对象都是分配在另外一个特别的连续内存（LOH, Large Object Heap）中的，而且，每个大对象在创建时即属于G2，也就是说只有在进行Generation 2的垃圾回收时，才会处理LOH。而且在对LOH进行垃圾回收时不会压缩内存！更进一步，LOH上空间的使用方式也很特殊——当分配一个大对象时，运行时会优先尝试在LOH的尾部进行分配，如果尾部空间不足，就会尝试向操作系统请求更多的内存空间，只有在这一步也失败时，才会重新搜索之前无效对象留下的内存空隙。如下图所示：

从上到下看

1. LOH中已经存在一个大小为85K的对象和一个大小为16M对象，当需要分配另外一个大小为85K的对象时，会在尾部分配空间；
2. 此时发生了一次垃圾回收，大小为16M的对象被回收，其占用的空间为未使用状态，但运行时并没有对LOH进行压缩；
3. 此时再分配一个大小为16.1M的对象时，分尝试在LOH尾部分配，但尾部空间不足。所以，
4. 运行时向操作系统请求额外的内存，并将对象分配在尾部；
5. 此时如果再需要分配一个大小为85K的对象，则优先使用尾部的空间。

---

所以前面的示例代码会造成LOH变成下面这个样子，当最后要分配16M + N的内存时，因为前面已经没有任何一块连续区域满足要求时，所以就会引发OutOfMemoryExceptiojn异常。

 

---

要解决这一问题其实并不容易，但可以考虑下面的策略。 

1. 将比较大的对象分割成较小的对象，使每个小对象大小小于85, 000字节，从而不再分配在LOH上；
2. 尽量“重用”少量的大对象，而不是分配很多大对象；
3. 每隔一段时间就重启一下程序。

最终我们发现，我们的软件中使用数组（List<float>）保存了一些曲线数据，而这些曲线的大小很可能会超过了85, 000字节，同时曲线对象的个数也非常多，从而对LOH造成了很大的压力，甚至出现了文章开头所描述的情况。针对这一情况，我们采用了策略1的方法，定义了一个类似C++中deque的数据结构，它以分块内存的方式存储数据，而且保证每一块的大小都小于85, 000，从而解决了这一问题。

此外要说的是，不要以为64位环境中可以忽略这一问题。虽然64位环境下有更大的内存空间，但对于操作系统来说，.NET中的LOH会提交很大范围的内存区域，所以当存在大量的内存空隙时，即使不会出现OutOfMemoryException异常，也会使得内页页面交换的频率不断上升，从而使软件运行的越来越慢。

最后分享我们定义的分块列表，它对IList<T>接口的实现行为与List<T>相同，代码中只给出了比较重要的几个方法。

  1 public class BlockList<T> : IList<T>

  2 {

  3     private static int maxAllocSize;

  4     private static int initAllocSize;

  5     private T[][] blocks;

  6     private int blockCount;

  7     private int[] blockSizes;

  8     private int version;

  9     private int countCache;

 10     private int countCacheVersion;

 11 

 12     static BlockList()

 13     {

 14         var type = typeof(T);

 15         var size = type.IsValueType ? Marshal.SizeOf(default(T)) : IntPtr.Size;

 16         maxAllocSize = 80000 / size;

 17         initAllocSize = 8;

 18     }

 19 

 20     public BlockList()

 21     {

 22         blocks = new T[8][];

 23         blockSizes = new int[8];

 24         blockCount = 0;

 25     }

 26 

 27     public void Add(T item)

 28     {

 29         int blockId = 0, blockSize = 0;

 30         if (blockCount == 0)

 31         {

 32             UseNewBlock();

 33         }

 34         else

 35         {

 36             blockId = blockCount - 1;

 37             blockSize = blockSizes[blockId];

 38             if (blockSize == blocks[blockId].Length)

 39             {

 40                 if (!ExpandBlock(blockId))

 41                 {

 42                     UseNewBlock();

 43                     ++blockId;

 44                     blockSize = 0;

 45                 }

 46             }

 47         }

 48 

 49         blocks[blockId][blockSize] = item;

 50         ++blockSizes[blockId];

 51         ++version;

 52     }

 53 

 54     public void Insert(int index, T item)

 55     {

 56         if (index > Count)

 57         {

 58             throw new ArgumentOutOfRangeException("index");

 59         }

 60 

 61         if (blockCount == 0)

 62         {

 63             UseNewBlock();

 64             blocks[0][0] = item;

 65             blockSizes[0] = 1;

 66             ++version;

 67             return;

 68         }

 69 

 70         for (int i = 0; i < blockCount; ++i)

 71         {

 72             if (index >= blockSizes[i])

 73             {

 74                 index -= blockSizes[i];

 75                 continue;

 76             }

 77 

 78             if (blockSizes[i] < blocks[i].Length || ExpandBlock(i))

 79             {

 80                 for (var j = blockSizes[i]; j > index; --j)

 81                 {

 82                     blocks[i][j] = blocks[i][j - 1];

 83                 }

 84 

 85                 blocks[i][index] = item;

 86                 ++blockSizes[i];

 87                 break;

 88             }

 89 

 90             if (i == blockCount - 1)

 91             {

 92                 UseNewBlock();

 93             }

 94 

 95             if (blockSizes[i + 1] == blocks[i + 1].Length

 96                 && !ExpandBlock(i + 1))

 97             {

 98                 UseNewBlock();

 99                 var newBlock = blocks[blockCount - 1];

100                 for (int j = blockCount - 1; j > i + 1; --j)

101                 {

102                     blocks[j] = blocks[j - 1];

103                     blockSizes[j] = blockSizes[j - 1];

104                 }

105 

106                 blocks[i + 1] = newBlock;

107                 blockSizes[i + 1] = 0;

108             }

109 

110             var nextBlock = blocks[i + 1];

111             var nextBlockSize = blockSizes[i + 1];

112             for (var j = nextBlockSize; j > 0; --j)

113             {

114                 nextBlock[j] = nextBlock[j - 1];

115             }

116 

117             nextBlock[0] = blocks[i][blockSizes[i] - 1];

118             ++blockSizes[i + 1];

119 

120             for (var j = blockSizes[i] - 1; j > index; --j)

121             {

122                 blocks[i][j] = blocks[i][j - 1];

123             }

124 

125             blocks[i][index] = item;

126             break;

127         }

128 

129         ++version;

130     }

131 

132     public void RemoveAt(int index)

133     {

134         if (index < 0 || index >= Count)

135         {

136             throw new ArgumentOutOfRangeException("index");

137         }

138 

139         for (int i = 0; i < blockCount; ++i)

140         {

141             if (index >= blockSizes[i])

142             {

143                 index -= blockSizes[i];

144                 continue;

145             }

146 

147             if (blockSizes[i] == 1)

148             {

149                 for (int j = i + 1; j < blockCount; ++j)

150                 {

151                     blocks[j - 1] = blocks[j];

152                     blockSizes[j - 1] = blockSizes[j];

153                 }

154 

155                 blocks[blockCount - 1] = null;

156                 blockSizes[blockCount - 1] = 0;

157                 --blockCount;

158             }

159             else

160             {

161                 for (int j = index + 1; j < blockSizes[i]; ++j)

162                 {

163                     blocks[i][j - 1] = blocks[i][j];

164                 }

165 

166                 blocks[i][blockSizes[i] - 1] = default(T);

167                 --blockSizes[i];

168             }

169 

170             break;

171         }

172 

173         ++version;

174     }

175 

176     private bool ExpandBlock(int blockId)

177     {

178         var length = blocks[blockId].Length;

179         if (length == maxAllocSize)

180         {

181             return false;

182         }

183 

184         length = Math.Min(length * 2, maxAllocSize);

185         Array.Resize(ref blocks[blockId], length);

186         return true;

187     }

188 

189     private void UseNewBlock()

190     {

191         if (blockCount == blocks.Length)

192         {

193             Array.Resize(ref blocks, blockCount * 2);

194             Array.Resize(ref blockSizes, blockCount * 2);

195         }

196 

197         blocks[blockCount] = new T[initAllocSize];

198         blockSizes[blockCount] = 0;

199         ++blockCount;

200     }

201 }