聊一聊 C# 弱引用 底层是怎么玩的

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摘要

最近在分析dump时,发现有程序的卡死和WeakReference有关,在以前只知道怎么用,但不清楚底层逻辑走向是什么样的,借着这个dump的契机来简单研究下。


一:背景

1. 讲故事

最近在分析dump时,发现有程序的卡死和WeakReference有关,在以前只知道怎么用,但不清楚底层逻辑走向是什么样的,借着这个dump的契机来简单研究下。

二:弱引用的玩法

1. 一些基础概念

用过WeakReference的朋友都知道这里面又可以分为弱短弱长两个概念,对应着构造函数中的trackResurrection参数,同时它也是对底层GCHandle.Alloc 方法的封装,参考源码如下:

 public WeakReference(object? target, bool trackResurrection) {     Create(target, trackResurrection); }  private void Create(object target, bool trackResurrection) {     nint num = GCHandle.InternalAlloc(target, trackResurrection ? GCHandleType.WeakTrackResurrection : GCHandleType.Weak);     _taggedHandle = (trackResurrection ? (num | 1) : num);     ComAwareWeakReference.ComInfo comInfo = ComAwareWeakReference.ComInfo.FromObject(target);     if (comInfo != null)     {         ComAwareWeakReference.SetComInfoInConstructor(ref _taggedHandle, comInfo);     } }  public enum GCHandleType {     //     // Summary:     //     This handle type is used to track an object, but allow it to be collected. When     //     an object is collected, the contents of the System.Runtime.InteropServices.GCHandle     //     are zeroed. Weak references are zeroed before the finalizer runs, so even if     //     the finalizer resurrects the object, the Weak reference is still zeroed.     Weak = 0,     //     // Summary:     //     This handle type is similar to System.Runtime.InteropServices.GCHandleType.Weak,     //     but the handle is not zeroed if the object is resurrected during finalization.     WeakTrackResurrection = 1 }  

从上面的 GCHandleType 的注释来看。

  • Weak 会在终结器执行之前判断持有的对象是否为垃圾对象,如果是的话直接切断引用。
  • WeakTrackResurrection 会在终结器执行之后判断对象是否为垃圾对象,如果是的话直接切断引用。

可能这么说有点抽象,画张图如下:

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2. 一个简单的测试例子

为了方便讲述两者的区别,使用 对象复活 来做测试。

  1. Weak 的情况

因为在 ScanForFinalization 方法之前做的判断,所以与垃圾对象的联系会被马上切断,参考代码如下:

     class Program     {         static void Main()         {             WeakReferenceCase();              GC.Collect();             GC.WaitForPendingFinalizers();              Console.WriteLine(weakHandle.Target ?? "Person 引用被切断");              Console.ReadLine();         }          public static GCHandle weakHandle;          static void WeakReferenceCase()         {             var person = new Person() { ressurect = false };             weakHandle = GCHandle.Alloc(person, GCHandleType.Weak);         }     }      public class Person     {         public bool ressurect = false;          ~Person()         {             if (ressurect)             {                 Console.WriteLine("Person 被永生了,不可能被消灭的。。。");                 GC.ReRegisterForFinalize(this);             }             else             {                 Console.WriteLine("Person 析构已执行...");             }         }     }  

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  1. WeakTrackResurrection 的情况

因为是在 ScanForFinalization 之后做的判断,这时候可能会存在 对象复活 的情况,所以垃圾又变成不垃圾了,如果是这种情况就不能切断,参考代码如下:

 static void WeakReferenceCase() {     var person = new Person() { ressurect = true };     weakHandle = GCHandle.Alloc(person, GCHandleType.WeakTrackResurrection); }  

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3. coreclr源码分析

在 coreclr 里有一个 struct 枚举强对应 GCHandleType 结构体,而且名字看的更加清楚,代码如下:

 typedef enum { 	HNDTYPE_WEAK_SHORT = 0, 	HNDTYPE_WEAK_LONG = 1, } HandleType;  

接下来看下刚才截图源码上的验证。

 void gc_heap::mark_phase(int condemned_gen_number, BOOL mark_only_p) { 	// null out the target of short weakref that were not promoted. 	GCScan::GcShortWeakPtrScan(condemned_gen_number, max_generation, &sc);  	dprintf(3, ("Finalize marking")); 	finalize_queue->ScanForFinalization(GCHeap::Promote, condemned_gen_number, mark_only_p, __this);  	// null out the target of long weakref that were not promoted. 	GCScan::GcWeakPtrScan(condemned_gen_number, max_generation, &sc); }  BOOL CFinalize::ScanForFinalization(promote_func* pfn, int gen, BOOL mark_only_p, gc_heap* hp) {     for (unsigned int Seg = startSeg; Seg <= gen_segment(0); Seg++)     {         Object** endIndex = SegQueue(Seg);         for (Object** i = SegQueueLimit(Seg) - 1; i >= endIndex; i--)         {             CObjectHeader* obj = (CObjectHeader*)*i;              if (!g_theGCHeap->IsPromoted(obj))             {                 if (method_table(obj)->HasCriticalFinalizer())                 {                     MoveItem(i, Seg, CriticalFinalizerListSeg);                 }                 else                 {                     MoveItem(i, Seg, FinalizerListSeg);                 }             }         }     }      if(finalizedFound) GCToEEInterface::EnableFinalization(true);      return finalizedFound; }  

源码中有几个注意点:

  1. 如何判断一个对象为垃圾

gc 在标记时,将有根的对象mt的第一位设为 1 来表示当前已经标记过,即有用对象,未被标记的即为垃圾对象。

  1. 终结器线程真的被启动了吗

从简化的源码看,一旦有垃圾对象被送入到 终结器队列的 预备区 时,就会通过 GCToEEInterface::EnableFinalization(true) 启动终结器线程,所以在测试代码中加了 GC.WaitForPendingFinalizers(); 就是为了等待终结器线程执行完毕然后才判断 Target,这样结果就会更加准确。

4. 切断逻辑在哪里

有些朋友会好奇那个 weakHandle.Target=null 的逻辑到底在 coreclr 的何处,这个比较简单,可以用 windbg 下 ba 断点即可,我们还是拿弱引用来举例,截图如下:

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三:总结

WeakReference 的内部玩法有很多,更深入的理解还需要对 g_HandleTableMap 进行深度挖掘,后面有机会再聊吧,有时候dump分析还是挺苦逼的,需要对相关领域底层知识有一个足够了解,否则谈何修复呢?

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