.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/）。

public class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        var smallBlockSize = 90000;
        var largeBlockSize = 1 << 24;
        var count = 0;
        var bigBlock = new byte[0];
        try
        {
            var smallBlocks = new List<byte[]>();
            while (true)
            {
                GC.Collect();
                bigBlock = new byte[largeBlockSize];
                largeBlockSize++;
                smallBlocks.Add(new byte[smallBlockSize]);
                count++;
            }
        }
        catch (OutOfMemoryException)
        {
            bigBlock = null;
            GC.Collect();
            Console.WriteLine("{0} Mb allocated", 
                (count * smallBlockSize) / (1024 * 1024));
        }
        
        Console.ReadLine();
    }
}

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%！

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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。

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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。

 

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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。

public class BlockList<T> : IList<T>
{
    private static int maxAllocSize;
    private static int initAllocSize;
    private T[][] blocks;
    private int blockCount;
    private int[] blockSizes;
    private int version;
    private int countCache;
    private int countCacheVersion;

    static BlockList()
    {
        var type = typeof(T);
        var size = type.IsValueType ? Marshal.SizeOf(default(T)) : IntPtr.Size;
        maxAllocSize = 80000 / size;
        initAllocSize = 8;
    }

    public BlockList()
    {
        blocks = new T[8][];
        blockSizes = new int[8];
        blockCount = 0;
    }

    public void Add(T item)
    {
        int blockId = 0, blockSize = 0;
        if (blockCount == 0)
        {
            UseNewBlock();
        }
        else
        {
            blockId = blockCount - 1;
            blockSize = blockSizes[blockId];
            if (blockSize == blocks[blockId].Length)
            {
                if (!ExpandBlock(blockId))
                {
                    UseNewBlock();
                    ++blockId;
                    blockSize = 0;
                }
            }
        }

        blocks[blockId][blockSize] = item;
        ++blockSizes[blockId];
        ++version;
    }

    public void Insert(int index, T item)
    {
        if (index > Count)
        {
            throw new ArgumentOutOfRangeException("index");
        }

        if (blockCount == 0)
        {
            UseNewBlock();
            blocks[0][0] = item;
            blockSizes[0] = 1;
            ++version;
            return;
        }

        for (int i = 0; i < blockCount; ++i)
        {
            if (index >= blockSizes[i])
            {
                index -= blockSizes[i];
                continue;
            }

            if (blockSizes[i] < blocks[i].Length || ExpandBlock(i))
            {
                for (var j = blockSizes[i]; j > index; --j)
                {
                    blocks[i][j] = blocks[i][j - 1];
                }

                blocks[i][index] = item;
                ++blockSizes[i];
                break;
            }

            if (i == blockCount - 1)
            {
                UseNewBlock();
            }

            if (blockSizes[i + 1] == blocks[i + 1].Length
                && !ExpandBlock(i + 1))
            {
                UseNewBlock();
                var newBlock = blocks[blockCount - 1];
                for (int j = blockCount - 1; j > i + 1; --j)
                {
                    blocks[j] = blocks[j - 1];
                    blockSizes[j] = blockSizes[j - 1];
                }

                blocks[i + 1] = newBlock;
                blockSizes[i + 1] = 0;
            }

            var nextBlock = blocks[i + 1];
            var nextBlockSize = blockSizes[i + 1];
            for (var j = nextBlockSize; j > 0; --j)
            {
                nextBlock[j] = nextBlock[j - 1];
            }

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

            for (var j = blockSizes[i] - 1; j > index; --j)
            {
                blocks[i][j] = blocks[i][j - 1];
            }

            blocks[i][index] = item;
            break;
        }

        ++version;
    }

    public void RemoveAt(int index)
    {
        if (index < 0 || index >= Count)
        {
            throw new ArgumentOutOfRangeException("index");
        }

        for (int i = 0; i < blockCount; ++i)
        {
            if (index >= blockSizes[i])
            {
                index -= blockSizes[i];
                continue;
            }

            if (blockSizes[i] == 1)
            {
                for (int j = i + 1; j < blockCount; ++j)
                {
                    blocks[j - 1] = blocks[j];
                    blockSizes[j - 1] = blockSizes[j];
                }

                blocks[blockCount - 1] = null;
                blockSizes[blockCount - 1] = 0;
                --blockCount;
            }
            else
            {
                for (int j = index + 1; j < blockSizes[i]; ++j)
                {
                    blocks[i][j - 1] = blocks[i][j];
                }

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

            break;
        }

        ++version;
    }

    private bool ExpandBlock(int blockId)
    {
        var length = blocks[blockId].Length;
        if (length == maxAllocSize)
        {
            return false;
        }

        length = Math.Min(length * 2, maxAllocSize);
        Array.Resize(ref blocks[blockId], length);
        return true;
    }

    private void UseNewBlock()
    {
        if (blockCount == blocks.Length)
        {
            Array.Resize(ref blocks, blockCount * 2);
            Array.Resize(ref blockSizes, blockCount * 2);
        }

        blocks[blockCount] = new T[initAllocSize];
        blockSizes[blockCount] = 0;
        ++blockCount;
    }
}