关于GC的原理和 Unity 中如何针对 GC 进行优化的建议

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1. 应用程序内存结构

应用程序内存空间通常划分为五个部分

1.1 静态/全局存储区

存放全局和静态变量，静态分配的，在程序执行的最开是分配，后面不会再增长

1.2 常量存储区

存储程序中的常量

1.3 代码段

存放程序执行代码的内存区域，在程序运行之前就已经确定了，通常是只读的，当多个进程运行同样的程序时，可以使用同一个代码段

1.4 栈

栈是一块连续的内存区域，栈的容量由系统规定，栈底地址在程序初始化时就确定了。栈通常用来存储局部变量、函数的参数和返回值

快速存取
栈最大的特点是快速存取，这是因为操作系统本身就支持栈这种数据结构，有专门的寄存器指向栈底，同时有专门的汇编指令进行入栈和出栈操作
内存分配特点
定义局部变量时进行分配，或函数参数/返回值自动分配和入栈。
在栈中分配内存是连续的，不会产生碎片，且栈的分配是从高地址往低地址方向增长
内存释放
当变量超出作用域时，系统自动释放

1.5 堆

堆主要用来存放动态分配的对象，堆的大小由系统内存/虚拟内存的上限决定

堆的分配特点
通常使用 new 和 malloc来动态分配。堆的分配效率比较低。系统通常使用一个链表记录堆中所有空闲区域的首地址指针，当进行内存分配时，需要遍历链表，来选取一个大小足够容纳的区域进行分配，然后修改链表中的指针值；如果没有找到足够的空间，会调用系统接口来增加，因此堆的分配效率比较低，且容易生成内存碎片。另外，堆的分配是从低地址往高地址增长
内存释放
需要调用 delete 或 free 来主动释放

2. 内存管理方式

主流的内存管理方式包括三种：手动管理、引用计数和垃圾回收(Garbege Collect，GC)

2.1 手动管理

管理方式
手动调用 malloc 或 new 进行分配，手动调用 free 或 delete 进行释放回收
优点
速度快，无额外开销
缺点
较难管理，必须明确跟踪对象使用情况，容易产生分配后未回收导致内存泄漏、错误回收导致野指针、空指针等问题

2.2 引用计数

管理方式
对象使用时计数器 +1，使用完毕计数器 -1，当计数器为 0 时进行销毁
优点
半自动管理，切速度较快
缺点
存在循环引用的情况，会导致内存泄漏

2.3 垃圾回收(GC)

管理方式
自动进行垃圾回收
优点
整个过程是全自动的，用户几乎不需要参与内存的管理，并且不存在循环引用的问题
缺点
在进行垃圾回收时需要停止所有线程 Stop the World

3. .Net/Java 中 GC 的原理

3.1 堆内存划分区域

堆内存区域划分

将堆内存划分为年轻代、老年代和永久代

年轻代
年轻代主要存放新创建的对象，内存大小相对会比较小，垃圾回收会比较频繁。年轻代又被划分为 Eden 区、Survivor 区，Survivor 区分为 S1 和 S2 区，Eden 区和 S1、S2 区的大小比通常为 8:1:1，年轻代内存的代销和 Eden 区和 Survivor 区的大小比例都可以通过 JVM 参数来进行设置
老年代
老年代主要存放系统认为生命周期比较长的对象，区域大小相对会比较大，垃圾回收也相对没有那么频繁
永久代
持久代主要存放类定义、字节码和常量等很少会变更的信息

3.2 内存分配过程

当需要为一个对象分配内存时，过程大概是

一般对象往 Eden 区分配，查看 Eden 区中的空间是否足够容纳对象，如果足够则在 Eden 区进行分配
Eden 区容纳不下该对象时，触发 MinorGC，结束后重新分配
大对象直接往老年代分配，若容纳不下将触发 FullGC，结束后重新分配

3.3 GC 触发时机

以下几种情况会触发 GC：

在 Eden 区分配时空间不足，触发 MinorGC
大对象分配，老年代空间不足，触发 FullGC
主动调用 GC.Collect 时，触发 FullGC

3.4 GC 过程和算法

3.4.1 年轻代基于复制的 GC 算法

执行在年轻代的 GC 也称之为 MinorGC，过程如下

遍历 Eden 区和 S0 区，计算每个对象是否存活，存活对象全部复制到 S1 区，然后清空 Eden 和 S0 区
此过程中若 S1 区空间不够存放对象，对象直接进入老年区
Eden 区和 S0 区的对象，每复制一次年龄 + 1，年龄超过某个阈值（默认为15，可以通过 JVM 参数设置），进入老年代
清空 Eden 和 S0 区后，S0 区和 S1 区互换，下一次 Minor GC 触发时 S0 区用来接收 Eden 区和 S1 区的存活对象

3.4.2 老年代标记-清除的 GC 算法

执行于老年代的 GC，也成为 Major GC，其中一种算法是标记-清除算法，过程如下

第一趟遍历对象列表，标记所有未存活对象
第二趟遍历对象列表，清除所有未存活对象
标记-清除算法存在问题：
清除的对象很可能不在连续空间，容易产生内存碎片，随着时间推移，连续的内存区域越来越少，一次稍微大一点的分配就可能触发 GC，导致 GC 会越来越频繁

3.4.3 老年代标记-整理的 GC 算法

另外一种算法改进了标记-清除算法的问题，称为标记-整理算法，过程如下

第一趟遍历对象，标记所有未存活对象
第二趟遍历对象，进行整理，将所有存活对象复制到连续区域：使用 memmove 移动内存空间，同时修改引用该对象的指针值
标记-整理的问题是效率稍微低一些

3.4.3 GC时如何判断对象是否存活

可达性算法：如果对象 A 到对象 B 存在引用链路，说明 A 为 B 的可达对象
判断对象 A 是否存活：遍历程序的 根对象列表，若 A 为任何根对象的可达对象，则A为存活对象

3.4.4 哪些对象是根对象

可以作为根对象来进行可达性判定的对象包括：

栈中的局部变量
类静态变量
全局变量和常量

3.4.5 Minor GC，Major GC 和 FullGC

Minor GC 是发生在年轻代中的 GC，触发较为频繁，Major GC 是发生在老年代中的 GC，相对不频繁，触发 FullGC 时会先执行 Minor GC，然后执行 Major GC

4. Unity 中的 GC

4.1 Unity 中GC的特性

Stop the World
Unity 不支持多线程 GC，要停止所有线程，GC才能继续执行。即便 Unity 2019 引入了增量式GC，将 GC 操作分散到不同帧当中，仍然是需要停止所有线程的
不分代
Unity 中的托管堆内存未分代，只要触发 GC，就是 FullGC
不整理
Unity 中 GC 算法是基于标记-清除算法，不会和并对象空间，容易造成内存碎片，且 GC 频率会越来越高

4.2 Unity 中关于 GC 优化的建议

4.2.1 减少对象的大小

合理安排类或结构体的字段声明顺序，以优化其对象的内存布局进而减少对象大小，结构体可以使用 StructLayout 属性

关于结构体，结构体本身是值类型。若结构体中不包含引用类型时，针对结构体的 new 操作不会造成 GCAlloc，但若结构体中包含引用类型字段，如 string 或数组等，那么在对结构体执行 new 操作时会产生 GC Alloc

4.2.2 降低内存分配的频次

也就是尽量减少 GCAlloc

减少引用类临时对象的分配，传递结构类型的参数时，如果对象尺寸超过 IntPtr.Size 时，采用引用传递方式，参数加关键字 ref，类类型的对象本身已经是引用传值了，不会生成临时对象
使用泛型优化装箱，例如 void Func(object o) 方法在传值类型参数时会进行装箱，使用 void Func(T o) 则不会产生装箱，但泛型在 IL2cpp 时会生成多中类型对应的代码
可变参数的方法，先定义常用参数个数的方法，再定义可变参数方法，确保绝大多数调用是固定个数的方法。如 string.Format方法是将1个、2个和3个参数的方法单独提出，另外再实现一个可变参数的方法
缓存某些 Get 类方法或属性的结果，例如不要使用 GameObject.name 和 GameObject.tag，但GameObject.CompareTag() 方法不会产生 GCAlloc
尽量减少装箱和拆箱
不要在 Update 等频次较高的方法中分配堆内存
使用对象池
事先申请足量的容器尺寸，避免申请尺寸不足时添加元素造成的复制和重新申请操作
字符串本身是引用类型，字符串连接时会申请新的空间，所以尽量避免字符串拼接
协程 yield return 0 应该使用 yield return null 来替代，避免装箱
协程 yield return new WaitForSeconds 应该先将 new WaitForSeconds 缓存下来

5. 查看 Android 应用的内存情况

4.2.3 在适当的时机主动调用 GC.Collect

例如在场景切换显示加载界面时调用，用户无感知

4.2.4 关于调试日志的字符串参数

正式版本中使用 unityLogger.logEnabled = false 仅仅只是不打日志，但字符串已经被分配内存，GC Alloc 还是产生了。解决方法是使用 Conditional 特性来处理日志输出，在正式版本中不要生成打印相关的代码，也不会有字符串的生成，减少了 GCAlloc