.NET陷阱之五:奇怪的OutOfMemoryException——大对象堆引起的问题与对策
来源:互联网 发布:淘宝卖家遇到的骗局 编辑:程序博客网 时间:2024/06/05 16:10
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 try10 {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
- 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;
- 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;
- 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,
- 运行时向操作系统请求额外的内存,并将对象分配在尾部;
- 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。
- 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;
- 尽量“重用”少量的大对象,而不是分配很多大对象;
- 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 else160 {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 }
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