“雪花”项目：Microsoft探索在.NET中实现手工内存管理

语言开发 Microsoft

摘要： 来自Microsoft研究院、剑桥大学和普林斯顿大学的一些研究人员构建了一个.NET的分支，实现了在运行时中添加支持手工内存管理的API。研究方法的细节及所获得的性能提升发表在名为“Project Snowflake: Non-blocking Safe Manual Memory Management in .NET”（“雪花”项目：非阻塞的、安全的.NET手工内存管理）的论文中。

作者： Abel Avram

正文：

来自Microsoft研究院、剑桥大学和普林斯顿大学的一些研究人员构建了一个.NET的分支，实现了在运行时中添加支持手工内存管理的API。研究方法的细节及所获得的性能提升发表在名为“Project Snowflake: Non-blocking Safe Manual Memory Management in .NET”（“雪花”项目：非阻塞的、安全的.NET手工内存管理）的论文中。

“雪花“项目意在实现.NET中的手工内存管理，这一改进被认为对一些应用是非常有用。C#、.NET等现代编程语言都采用了垃圾回收机制，使编程人员得以从管理对象的任务中解放出来，这一机制的优点广为人知，涉及提高生产力、改进程序稳定性、内存安全及防止恶意操作等方面。但是垃圾回收机制需要付出一些性能上的代价，尽管这在很多情况下不易被察觉，但是在一些情况下还是存在问题的。“雪花”项目的研究人员就指出，对于在具有上百GB堆内存的系统上运行数据分析和流处理任务，就可受益于手工内存管理。

“雪花”项目所引入的手工内存管理是与垃圾回收机制并行工作的，开发人员一般情况下使用的是垃圾回收机制，但在环境需要时也可以选择手工内存管理。该引入到运行时中的改进并不会对已有应用产生影响，并且会改进多线程应用的性能。“雪花”项目实现了“在程序任一位置分配和释放独立对象，并确保手工管理对象同样享有完全的类型安全和时序安全，即使存在并发访问时。”

“雪花”中提出了两个新概念，即对象“所有者”（Owner）和“护盾”（Shield），它们实现为CoreCLR和CoreFX层级的API。“所有者”表示了栈或堆中的一个位置，保存了对手工堆中分配对象的唯一引用。“所有者”获取自“护盾”，而引入“护盾”是为了避免手工对象在被多个线程访问时重分配（deallocate）。“护盾”确保了当最后使用一个对象的线程重分配该对象后，才从堆中移除该对象。论文中是如下详细阐述该机制的：

我们的解决方案……受到了无锁数据结构研究中的“风险指针”（Hazard Pointer）这一概念的启发。我们引入了一种机制，当线程想要通过其中一个“所有者”位置访问手工对象时，这一意图将会发布在线程本地状态（TLS，Thread-Local State）中。此注册过程可看成是创建了一个“护盾”，该“护盾”将保护对象不会被重分配，并授权发布注册的线程可直接访问对象，例如调用对象的方法，或是转换（mutate）对象的字段。同时，不允许任何线程（同一线程或另一个线程）重分配对象及回收（reclaim）对象的内存。一旦客户代码不再需要访问该对象，就可以释放（dispose）“护盾”，即从对象的TLS中移除了指向该对象的引用。直接访问从“护盾”获取的对象是不安全的操作，因为在释放“护盾”后，实际的重分配操作依然允许继续。

论文中提供了一系列给定场景下的测试结果，表明使用“雪花”项目的性能相比于垃圾回收机制取得了改进。其中，“在峰值工作集上获得了高达三倍的性能提高，在运行时上取得了两倍的性能提高”。测试结果给出了很好的性能改进。这是因为当对象池非常大时，垃圾回收为释放内存需要花费很多时间遍历对象图。

Microsoft并未详述是否有规划在.NET中加入“雪花”项目。但考虑到这是一种非侵入式的和安全的机制，我们希望在.NET的未来版本中能集成类似的功能。

查看英文原文： Microsoft Explores Manual Memory Management in .NET with Snowflake