用 C# 写一个 .NET 垃圾回收器（二）

沉睡的木木夕2025-02-05 14:37

用 C# 写一个 .NET 垃圾回收器（二）

在第一部分中，我们准备了项目，并修复了由 NativeAOT 工具链引起的初始化问题。在本部分，我们将开始实现自己的 GC（垃圾回收器）。目前的目标是构建一个尽可能简单的 GC，使其能够运行基本的 .NET 应用程序。这个 GC 只会进行内存分配，而不会回收内存，类似于 Konrad Kokosa 提出的 bump-pointer GC（碰撞指针 GC）。

第一步是编写 GC 需要的本地接口。目前有以下四个接口：

  • IGCToCLR：提供可供 GC 调用的执行引擎 API（例如挂起线程）。
  • IGCHeap：主要的 GC API。
  • IGCHandleManager：提供创建或销毁句柄的 API。
  • IGCHandleStore：句柄管理器使用的底层存储。

其中，IGCToCLR 由运行时提供，而其他三个接口需要由 GC 自行实现。

为了处理与本地代码的互操作，我们将使用与托管分析器（managed profiler）相同的 NativeObjects 库。我们需要做的就是在 C# 中定义接口，并使用 [NativeObject] 特性进行标注：

c# 复制代码 
[NativeObject]
public unsafe interface IGCHeap
{
    /// <summary>
    /// Returns whether or not the given size is a valid segment size.
    /// </summary>
    bool IsValidSegmentSize(nint size);

    /// <summary>
    /// Returns whether or not the given size is a valid gen 0 max size.
    /// </summary>
    bool IsValidGen0MaxSize(nint size);

    /// <summary>
    /// Gets a valid segment size.
    /// </summary>
    nint GetValidSegmentSize(bool large_seg = false);

    [...]
}

接下来，我们可以通过两种方式获取接口的实现：

  1. 获取托管实现的本地指针（native pointer）。

    c# 复制代码 
    var gcHeap = new GCHeap();
IntPtr gcHeapPtr = NativeObjects.IGCHeap.Wrap(gcHeap);
// Give the pointer to native code
// ...

  2. 获取本地实现的托管指针（managed pointer）。

    c# 复制代码 
    // Receive the pointer from native code
IntPtr ptr = ...
var gcHeap = NativeObjects.IGCHeap.Wrap(ptr);
// Use gcHeap like a normal managed object

这些托管接口本质上是 .NET 源代码中 C++ 接口的 C# 转换版本，因此这里不再详细介绍。

句柄存储（Handle Store）

GC 句柄（GC Handles）在 .NET 运行时中是一个非常基础的概念，即便是我们这个简单的 GC 也需要提供一定程度的支持。幸运的是，由于我们的 GC 不会释放或移动内存，我们目前可以采用相对简单的实现方式。

一个 GC 句柄包含以下三部分信息：

  1. 句柄类型（弱引用、强引用、固定引用（pinned）等）。
  2. 对象地址（句柄所指向的对象的内存地址）。
  3. 一个指针大小的额外信息字段（用于存储额外的元数据）。

因此，我们可以用一个结构体来表示 GC 句柄：

c# 复制代码 
[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
public struct ObjectHandle
{
    public nint Object;
    public nint ExtraInfo;
    public HandleType Type;

    public override string ToString() => $"{Type} - {Object:x2} - {ExtraInfo:x2}";
}

public enum HandleType
{
    HNDTYPE_WEAK_SHORT = 0,
    HNDTYPE_WEAK_LONG = 1,
    HNDTYPE_WEAK_DEFAULT = 1,
    HNDTYPE_STRONG = 2,
    HNDTYPE_DEFAULT = 2,
    HNDTYPE_PINNED = 3,
    HNDTYPE_VARIABLE = 4,
    HNDTYPE_REFCOUNTED = 5,
    HNDTYPE_DEPENDENT = 6,
    HNDTYPE_ASYNCPINNED = 7,
    HNDTYPE_SIZEDREF = 8,
    HNDTYPE_WEAK_NATIVE_COM = 9
}

目前，并非所有句柄类型都需要额外信息，因此理论上，我们可以为不同的句柄类型设计专门的结构体来节省空间。但对于我们这个简单的 GC 来说，这并不重要，因此不会做这种优化。

目前，我们可以使用一个固定大小的数组 来存储句柄。为了简化实现，我们将句柄的最大数量硬编码为 10,000 ，这个数量足以支持测试应用程序的运行。然而，由于我们的 GC 不会回收内存，这意味着对于运行时间较长的应用程序，句柄总会被耗尽。因此，未来我们可能需要重新设计这部分逻辑。

c# 复制代码 
public unsafe class GCHandleStore : IGCHandleStore
{
    private const int MaxHandles = 10_000;

    private readonly NativeObjects.IGCHandleStore _nativeObject;
    private readonly ObjectHandle* _store;
    private int _handleCount;

    public GCHandleStore()
    {
        _nativeObject = NativeObjects.IGCHandleStore.Wrap(this);
        _store = (ObjectHandle*)NativeMemory.AllocZeroed(MaxHandles, (nuint)sizeof(ObjectHandle));
    }

    public IntPtr IGCHandleStoreObject => _nativeObject;

    // TODO: Implement IGCHandleStore methods
}

IGCHandleStoreObject 属性用于暴露本地指针（native pointer），以便将其传递给 .NET 运行时。

关于句柄存储的设计选择

在实现过程中，我曾考虑过使用固定的 ObjectHandle[] 数组 （并通过 pinned 关键字固定其地址）来替代直接使用本地内存。然而，最终我认为这种做法有些"投机取巧"（cheating），因此决定仅依赖 NativeAOT GC 来管理元数据结构，而所有暴露给 .NET 运行时的内容都应当由我们手动管理并存储在本地内存中。

现在我们可以实现句柄生成。IGCHandleStore 接口的多个方法都运行相同的逻辑：

c# 复制代码 
public unsafe ref ObjectHandle CreateHandleOfType(GCObject* obj, HandleType type)
{
	return ref CreateHandleWithExtraInfo(obj, type, null);
}

public unsafe ref ObjectHandle CreateHandleOfType2(GCObject* obj, HandleType type, int heapToAffinitizeTo)
{
	return ref CreateHandleWithExtraInfo(obj, type, null);
}

public unsafe ref ObjectHandle CreateDependentHandle(GCObject* primary, GCObject* secondary)
{
	return ref CreateHandleWithExtraInfo(primary, HandleType.HNDTYPE_DEPENDENT, secondary);
}

public unsafe ref ObjectHandle CreateHandleWithExtraInfo(GCObject* obj, HandleType type, void* pExtraInfo)
{
    var index = Interlocked.Increment(ref _handleCount) - 1;

    if (index >= MaxHandles)
    {
    Environment.FailFast("Too many handles");
    }

    ref var handle = ref _store[index];

    handle.Object = (nint)obj;
    handle.Type = type;
    handle.ExtraInfo = (nint)pExtraInfo;

    return ref handle;
}

GCObject* 代表一个指向托管对象 （managed object）的指针。虽然目前我们不会对其进行解引用（dereference），但 GCObject 结构的布局模仿了 .NET 运行时中的托管对象格式。

c# 复制代码 
[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
public readonly struct GCObject
{
    public readonly IntPtr MethodTable;
    public readonly int Length;
}

IGCHandleStore 接口 还暴露了一个 ContainsHandle 方法，不过在 .NET 运行时中似乎没有地方实际使用它。不过，由于实现起来相对简单，我们还是会提供该方法。此外，我们还添加了一个 DumpHandles 方法，以便在调试 GC 时查看当前句柄的状态。

c# 复制代码 
public void DumpHandles()
{
    Write("GCHandleStore DumpHandles");

    for (int i = 0; i < _handleCount; i++)
    {
        Write($"Handle {i} - {_store[i]}");
    }
}

public bool ContainsHandle(ref ObjectHandle handle)
{
    var ptr = Unsafe.AsPointer(ref handle);
    return ptr >= _store && ptr < _store + _handleCount;
}

目前来说，这些实现已经足够满足我们的需求。不过，将来我们可能会引入更复杂的句柄存储机制，比如：

  • 基于段（segment-based）的存储结构，可以根据需要动态扩展。
  • 空闲列表（free-list），用于重用已释放的句柄。

句柄管理器（Handle Manager）

在 .NET 运行时中，句柄的管理涉及两个接口：IGCHandleManager 和 IGCHandleStore。但为什么需要这两个不同的接口？老实说，我也不太确定。理论上，这两个接口完全可以合并。

从历史角度来看，这可能源自 .NET 早期的设计，当时运行时可能存在多个句柄存储（handle store），比如与 AppDomains 相关的机制。不过，现在这种情况已经不复存在了。

IGCHandleManager 主要提供以下功能：

  • 访问底层的 IGCHandleStore。
  • 读取或修改句柄的元信息。

这样，执行引擎（execution engine） 无需关心 GC 在内存中如何存储和管理句柄。

c# 复制代码 
internal unsafe class GCHandleManager : IGCHandleManager
{
    private readonly NativeObjects.IGCHandleManager _nativeObject;
    private readonly GCHandleStore _gcHandleStore;

    public GCHandleManager()
    {
        _gcHandleStore = new GCHandleStore();
        _nativeObject = NativeObjects.IGCHandleManager.Wrap(this);
    }

    public IntPtr IGCHandleManagerObject => _nativeObject;

    public GCHandleStore Store => _gcHandleStore;

    public bool Initialize()
    {
        return true;
    }

    public IntPtr GetGlobalHandleStore()
    {
        return _gcHandleStore.IGCHandleStoreObject;
    }

    public unsafe ref ObjectHandle CreateGlobalHandleOfType(GCObject* obj, HandleType type)
    {
        return ref _gcHandleStore.CreateHandleOfType(obj, type);
    }

    public ref ObjectHandle CreateDuplicateHandle(ref ObjectHandle handle)
    {
        ref var newHandle = ref _gcHandleStore.CreateHandleOfType((GCObject*)handle.Object, handle.Type);
        newHandle.ExtraInfo = handle.ExtraInfo;
        return ref newHandle;
    }

    public unsafe void SetExtraInfoForHandle(ref ObjectHandle handle, HandleType type, nint extraInfo)
    {
        handle.ExtraInfo = extraInfo;
    }

    public unsafe nint GetExtraInfoFromHandle(ref ObjectHandle handle)
    {
        return handle.ExtraInfo;
    }

    public unsafe void StoreObjectInHandle(ref ObjectHandle handle, GCObject* obj)
    {
        handle.Object = (nint)obj;
    }

    public unsafe bool StoreObjectInHandleIfNull(ref ObjectHandle handle, GCObject* obj)
    {
        var result = InterlockedCompareExchangeObjectInHandle(ref handle, obj, null);        
        return result == null;
    }

    public unsafe void SetDependentHandleSecondary(ref ObjectHandle handle, GCObject* obj)
    {
        handle.ExtraInfo = (nint)obj;
    }

    public unsafe GCObject* GetDependentHandleSecondary(ref ObjectHandle handle)
    {
        return (GCObject*)handle.ExtraInfo;
    }

    public unsafe GCObject* InterlockedCompareExchangeObjectInHandle(ref ObjectHandle handle, GCObject* obj, GCObject* comparandObject)
    {
        return (GCObject*)Interlocked.CompareExchange(ref handle.Object, (nint)obj, (nint)comparandObject);
    }

    public HandleType HandleFetchType(ref ObjectHandle handle)
    {
        return handle.Type;
    }
}

注意 ：这里仅展示了我们目前实现的部分方法。其他与句柄释放相关的方法暂时不需要，因此未作实现。

IGCHeap

IGCHeap 是 GC 的核心接口，通常提到 GC API 时，我们想到的就是它。这个接口非常庞大，包含多达 88 个方法 ，但对于我们的简化版 GC，我们只需要实现其中的一部分关键方法。

GCHeap 类的构造函数与 IGCHandleStore 和 IGCHandleManager 的实现类似，主要用于初始化本地互操作的封装（native interop wrappers）。

c# 复制代码 
internal unsafe class GCHeap : Interfaces.IGCHeap
{
    private readonly IGCToCLRInvoker _gcToClr;
    private readonly GCHandleManager _gcHandleManager;
    private readonly IGCHeap _nativeObject;

    public GCHeap(IGCToCLRInvoker gcToClr)
    {
        _gcToClr = gcToClr;
        _gcHandleManager = new GCHandleManager();

        _nativeObject = IGCHeap.Wrap(this);
    }

    public IntPtr IGCHeapObject => _nativeObject;
    public IntPtr IGCHandleManagerObject => _gcHandleManager.IGCHandleManagerObject;
}

Initialize 方法是 GC 需要实现的第一个关键方法。这个方法会在运行时初始化的早期 被调用，让 GC 预先准备好托管代码运行所需的一切。在 .NET 的正式 GC 中，Initialize 主要用于：

  • 计算内存段（segment）或区域（region）的大小。
  • 预分配堆（heap）。
  • 进行必要的内存管理设置。

不过，由于我们这个 GC 仅仅是最基础的实现 ，所以不需要做这些复杂的初始化。但是，我们仍然需要设置写屏障（write barrier）。

这个例子很好地展示了独立 GC API （Standalone GC API）实际上只是围绕标准 .NET GC 的一层封装 ，而不是一个真正面向自定义 GC 设计的合理 API。即便我们不打算使用卡表（card table） ，API 依然没有提供关闭或修改**写屏障（write barrier）**的方式，因此我们仍然需要正确地进行初始化。

幸运的是，Konrad Kokosa 在他的 GC 实现中使用了一个技巧 。在 Workstation GC 模式下，写屏障在写入卡表之前会检查目标地址是否位于 GC 管理的范围内 。我们可以利用这一点，将 GC 的范围 设置为一个特殊值，使得所有地址都超出这个范围 ，从而间接禁用写屏障。

c# 复制代码 
public HResult Initialize()
{
    Write("Initialize GCHeap");

    var parameters = new WriteBarrierParameters
    {
        operation = WriteBarrierOp.Initialize,
        is_runtime_suspended = true,
        ephemeral_low = -1 // nuint.MaxValue
    };

    _gcToClr.StompWriteBarrier(&parameters);

    return HResult.S_OK;
}

我们可以设置 GC 地址范围的最低值（ephemeral_low）为最大可能的地址 ，这样所有对象的地址都会超出 GC 监控的范围。这使得写屏障不会执行卡表更新，从而达到**"屏蔽"写屏障的效果**。

如果不使用这个技巧，我们就需要：

  • 为卡表分配内存 ，并将其赋值给 WriteBarrierParameters 结构体的 card_table 字段。
  • 确保卡表足够大，可以覆盖整个堆（card table 的每个字节映射 2KB 内存）。

然而，这会带来两个问题：

  1. 如何管理堆的边界（bookkeeping）？
    我们使用 NativeMemory.Alloc 进行内存分配，而它返回的地址范围是不可预测的，因此我们很难计算堆的精确范围。
  2. 如何预分配足够大的卡表？
    如果无法动态调整大小，我们可能需要分配一个超大的卡表，以适应可能的堆大小，这会造成内存浪费。

遗憾的是，这个技巧仅适用于 Workstation GC 。在 Server GC 模式下，写屏障不会检查目标地址是否在 GC 管理的范围内，因此必须提供一个有效的卡表 。目前，我们的方案不会支持 Server GC （毕竟对于我们的 GC 来说，Server GC 这个概念本身就没有意义，这也是 .NET GC 设计细节"泄漏"到独立 GC API 的又一例证）。

Alloc 是 GC 最核心的方法 ，每当线程需要内存来分配新对象时，都会调用它。因此，我们必须引入**"分配上下文"（Allocation Context）**的概念。

如果每次分配对象时，线程都必须向 GC 申请内存，那会导致严重的性能问题 。为了解决这个问题，GC 采用了分配上下文（allocation context）：

  • GC 会给每个线程分配一块内存，称为 "分配上下文"。
  • 线程可以在这个分配上下文中自行分配对象，无需每次都请求 GC。
  • 只有当分配上下文耗尽 或在特殊情况下（如分配带有终结器的对象）时，线程才会请求 GC 进行新的内存分配。

下面是分配上下文的基本结构（即 GC 分配给每个线程的内存块）：

c# 复制代码 
[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
public unsafe struct gc_alloc_context
{
    public nint alloc_ptr;
    public nint alloc_limit;
    public long alloc_bytes;
    public long alloc_bytes_uoh;

    public void* gc_reserved_1;
    public void* gc_reserved_2;
    public int alloc_count;
}

alloc_ptr 指向当前分配上下文（allocation context）中的可用位置，而 alloc_limit 则标记了分配上下文的结束位置。此外，分配上下文中还包含多个字段，用于跟踪该线程的分配统计信息，以及两个指针大小的字段，这些字段由 GC 自行决定如何使用。在标准 GC 中，这些字段用于标记线程关联的堆（heap affinity），我在之前的文章中也曾利用过这一点。

现在来说，我们的分配策略保持简单：

  1. 当调用 Alloc 时，首先检查当前分配上下文是否还有足够的空间：
    • 如果有空间，我们只需递增 alloc_ptr，即可完成对象分配。
    • 这种方式避免了频繁向 GC 申请内存，提高了分配效率。
  2. 如果分配上下文不够大：
    • 我们分配32KB 的新内存块，作为新的分配上下文。
    • 特殊情况：如果要分配的对象大于 32KB ，则直接分配精确大小的内存块，而不是使用标准的 32KB 块。
c# 复制代码 
public GCObject* Alloc(ref gc_alloc_context acontext, nint size, GC_ALLOC_FLAGS flags)
{
    var result = acontext.alloc_ptr;
    var advance = result + size;

    if (advance <= acontext.alloc_limit)
    {
    // The allocation context is big enough for this allocation
    acontext.alloc_ptr = advance;
    return (GCObject*)result;
    }

    // The allocation context is too small, we need to allocate a new one
    var growthSize = Math.Max(size, 32 * 1024) + IntPtr.Size;
    var newPages = (IntPtr)NativeMemory.AllocZeroed((nuint)growthSize);

    var allocationStart = newPages + IntPtr.Size;
    acontext.alloc_ptr = allocationStart + size;
    acontext.alloc_limit = newPages + growthSize;

    return (GCObject*)allocationStart;
}

你可能会注意到，我们对分配上下文的起始地址进行了偏移 （即 alloc_ptr 向后移动 IntPtr.Size 字节）。其原因如下：

  • Alloc 需要返回一个 GCObject*，即指向托管对象的指针。

  • 在 .NET 中，托管对象的引用并不会直接指向对象的起始位置 ，而是指向对象的 Method Table 指针。

  • 对象的起始位置前面有一个指针大小的字段，用于存储对象头（Object Header）。

  • 因此，我们在分配对象时，需要偏移 IntPtr.Size，确保返回的指针正确指向 Method Table。

    +-----------------+
    | Object header |
    +-----------------+
    | MethodTable* | <----- GCObject*
    +-----------------+
    | |
    | Data |
    | |
    +-----------------+

这个设计确保了 .NET 运行时在访问对象时，能够正确地找到该对象的类型信息和元数据。

IGCHeap 接口中，我们还需要实现最后一个方法：GarbageCollect 。

目前，我们不会真的执行垃圾回收（GC），但可以用它来输出调试信息，例如：

  • 转储（dump）当前句柄存储的信息。
  • 打印内存分配情况，方便后续优化 GC 实现。
c# 复制代码 
public HResult GarbageCollect(int generation, bool low_memory_p, int mode)
{
    Write("GarbageCollect");
    _gcHandleManager.Store.DumpHandles();
    return HResult.S_OK;
}

基本功能已完成

我们已经实现了所有必要的 GC 接口，现在可以在 GC_Initialize 方法中将它们连接起来。

c# 复制代码 
[UnmanagedCallersOnly(EntryPoint = "_GC_Initialize")]
    public static unsafe HResult GC_Initialize(IntPtr clrToGC, IntPtr* gcHeap, IntPtr* gcHandleManager, GcDacVars* gcDacVars)
    {
    Write("GC_Initialize");

var clrToGc = NativeObjects.IGCToCLR.Wrap(clrToGC);
var gc = new GCHeap(clrToGc);

*gcHeap = gc.IGCHeapObject;
*gcHandleManager = gc.IGCHandleManagerObject;

return HResult.S_OK;
}

由于我们的 GC 不支持 Server GC 模式，我们需要额外的代码来：

  1. 通过 IClrToGC 接口获取运行时的 GC 配置。
  2. 如果 Server GC 处于启用状态，则直接终止初始化。

在本地代码 IGCToCLR.GetBooleanConfigValue 方法中，参数必须是单字节编码的字符串 ，而 .NET 的 string 采用 UTF-16 （两个字节存储一个字符）。为了避免字符串转换，我们使用 u8 后缀来直接获取 UTF-8 字符串。

c# 复制代码 
[UnmanagedCallersOnly(EntryPoint = "_GC_Initialize")]
public static unsafe HResult GC_Initialize(IntPtr clrToGC, IntPtr* gcHeap, IntPtr* gcHandleManager, GcDacVars* gcDacVars)
{
    Write("GC_Initialize");

    var clrToGc = NativeObjects.IGCToCLR.Wrap(clrToGC);

    fixed (byte* privateKey = "gcServer"u8, publicKey = "System.GC.Server"u8)
    {
        clrToGc.GetBooleanConfigValue(privateKey, publicKey, out var gcServerEnabled);

        if (gcServerEnabled)
        {
            Write("This GC isn't compatible with server GC. Set DOTNET_gcServer=0 to disable it.");
            return HResult.E_FAIL;
        }
    }

    var gc = new GCHeap(clrToGc);

    *gcHeap = gc.IGCHeapObject;
    *gcHandleManager = gc.IGCHandleManagerObject;

    return HResult.S_OK;
}

为了测试这个 GC，我们编写了一个简单的控制台应用，它会：

  1. 分配几个对象（包括一个大对象）。
  2. 操作一个 DependentHandle（用于验证 IHandleStore 代码）。
  3. 调用 GC.Collect()，触发 DumpHandles 代码，输出当前句柄信息。

虽然测试用例并不复杂，但它可以完整运行且不会崩溃！ 在控制台中，大部分日志信息是运行时调用的 GC 方法，而这些方法我们尚未完全实现。

为了更严谨地验证 GC，我们尝试运行了 OrchardCore.Samples 仪表盘应用（在升级到 .NET 9 并禁用 Server GC 之后），未发现明显的错误。

当然，目前的 GC 仍然存在以下问题：

  • 所有已分配的内存都无法回收 ，导致严重的内存泄漏。
  • 句柄的最大数量是固定的，达到上限后，应用程序一定会崩溃。

要让这个 GC 真正运行在生产环境中，仍有大量工作需要完成。

下一步，我们将增加诊断代码，用于显示托管对象的详细信息，以便后续调试。这可能听起来很简单，但由于 GC 运行在自己的运行时中，它无法使用反射（Reflection）或 .NET 标准 API 来检查托管对象，这给调试带来了一定挑战。

本文示例代码已上传到 GitHub，感兴趣的读者可以自行下载研究。

原文链接

https://minidump.net/writing-a-net-gc-in-c-part-2/

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