cpu 和垃圾回收的关系

前言

前文中介绍了，cpu 使用率和三个方面有关，一个是中断、一个是用户时间、一个是系统时间。
那么当我们排查问题时候，查到是用户时间占用比较多的话，那么该如何排查呢？
正文

首先我们想到的是，cpu高嘛，查看火焰图对吧。 火焰图可以看到哪个函数消耗cpu比较多？
似乎这个问题好像马上能查看到，如果火焰图调入gc函数消耗的cpu比较多的话，那么就直接定位了。
然而事情好像没有这么简单。
这个我们来看一下火焰图原理:
火焰图是一种性能分析工具，它通过采样CPU调用栈来生成可视化的性能分析图表。火焰图能够显示：
1.CPU时间消耗最多的函数调用路径
2. 调用栈的深度和宽度
3. 热点代码的位置
GC在火焰图中的表现

• GC线程活动：如果GC线程占用大量CPU时间，会在火焰图中显示为GC相关的调用栈
  
• GC暂停时间：虽然火焰图主要显示CPU时间，但GC暂停期间的CPU使用也会被记录
  
• 内存分配热点：频繁的内存分配会导致GC压力，这些分配点会在火焰图中显示
  

可能观察不到的情况：

• 后台GC：.NET的Server GC模式使用后台线程进行垃圾回收，这些线程的活动可能不会在火焰图中明显显示
  
• GC暂停：GC暂停期间应用程序线程被挂起，火焰图可能显示为"空闲"时间
  

也就是说火焰图可能能看出一些gc问题，但是有些可能不明显。
那么从简单的说，内存分配热点，也就是说内存频繁的分配，那么可以查看出。
这个其实占用cpu的话，经过测试，这个其实一般来说占用cpu不会太多，很难看出来。
比如说:

1. using System;
2. using System.Collections.Generic;
3. using System.Threading;
4. using System.Threading.Tasks;
5. using System.Text;
7. namespace RealAllocationHotspot
8. {
9.     class Program
10.     {
11.         static void Main(string[] args)
12.         {
13.             Console.WriteLine("Real Memory Allocation Hotspot Demo");
14.             Console.WriteLine("This will show actual allocation hotspots in flame graphs");
15.             
16.             var cts = new CancellationTokenSource();
17.             var tasks = new List<Task>();
19.             // 任务1：CPU密集型的分配热点
20.             tasks.Add(Task.Run(() => CpuIntensiveAllocation(cts.Token)));
22.             // 任务2：字符串操作热点
23.             tasks.Add(Task.Run(() => StringAllocationHotspot(cts.Token)));
25.             // 任务3：集合操作热点
26.             tasks.Add(Task.Run(() => CollectionAllocationHotspot(cts.Token)));
28.             // 任务4：复杂对象分配热点
29.             tasks.Add(Task.Run(() => ComplexObjectAllocation(cts.Token)));
31.             Console.WriteLine("Press any key to stop...");
32.             Console.ReadKey();
33.             cts.Cancel();
35.             Task.WaitAll(tasks.ToArray());
36.         }
38.         // CPU密集型的分配热点 - 会在火焰图中显示
39.         static void CpuIntensiveAllocation(CancellationToken token)
40.         {
41.             while (!token.IsCancellationRequested)
42.             {
43.                 // 这些操作会消耗大量CPU时间
44.                 for (int i = 0; i < 10000; i++)
45.                 {
46.                     // 热点1：大量字符串操作
47.                     var result = "";
48.                     for (int j = 0; j < 100; j++)
49.                     {
50.                         result += $"String_{i}_{j}_";  // 字符串连接
51.                         result += DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.fff");
52.                     }
54.                     // 热点2：字符串格式化
55.                     var formatted = string.Format("Complex string: {0}, {1}, {2}, {3}, {4}",
56.                         Guid.NewGuid(), DateTime.Now, Environment.TickCount,
57.                         i);
59.                     // 热点3：数组操作
60.                     var array = new byte[1000];
61.                     for (int k = 0; k < array.Length; k++)
62.                     {
63.                         array[k] = (byte)(i + k);
64.                     }
65.                 }
66.             }
67.         }
69.         // 字符串分配热点 - 会显示为CPU热点
70.         static void StringAllocationHotspot(CancellationToken token)
71.         {
72.             while (!token.IsCancellationRequested)
73.             {
74.                 // 这些操作会消耗CPU时间进行字符串处理
75.                 for (int i = 0; i < 5000; i++)
76.                 {
77.                     // 热点：字符串连接操作
78.                     var sb = new StringBuilder();
79.                     for (int j = 0; j < 50; j++)
80.                     {
81.                         sb.Append($"String_{i}_{j}_");
82.                         sb.Append(DateTime.Now.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));
83.                         sb.Append("_");
84.                     }
85.                     var result = sb.ToString();
87.                     // 热点：字符串分割和重组
88.                     var parts = result.Split('_');
89.                     var reconstructed = string.Join("|", parts);
90.                 }
91.             }
92.         }
94.         // 集合分配热点 - 会显示为CPU热点
95.         static void CollectionAllocationHotspot(CancellationToken token)
96.         {
97.             while (!token.IsCancellationRequested)
98.             {
99.                 // 这些操作会消耗CPU时间进行集合操作
100.                 for (int i = 0; i < 1000; i++)
101.                 {
102.                     // 热点：列表操作
103.                     var list = new List<string>();
104.                     for (int j = 0; j < 100; j++)
105.                     {
106.                         list.Add($"Item_{i}_{j}");
107.                     }
109.                     // 热点：字典操作
110.                     var dict = new Dictionary<string, object>();
111.                     for (int j = 0; j < 50; j++)
112.                     {
113.                         dict[$"Key_{i}_{j}"] = new byte[100];
114.                     }
116.                     // 热点：集合操作
117.                     var set = new HashSet<string>();
118.                     for (int j = 0; j < 100; j++)
119.                     {
120.                         set.Add($"SetItem_{i}_{j}");
121.                     }
122.                 }
123.             }
124.         }
126.         // 复杂对象分配热点 - 会显示为CPU热点
127.         static void ComplexObjectAllocation(CancellationToken token)
128.         {
129.             while (!token.IsCancellationRequested)
130.             {
131.                 // 这些操作会消耗CPU时间进行对象创建和初始化
132.                 for (int i = 0; i < 1000; i++)
133.                 {
134.                     // 热点：复杂对象创建
135.                     var complexObject = new ComplexObject
136.                     {
137.                         Id = i,
138.                         Name = $"ComplexObject_{i}",
139.                         Data = new byte[500],
140.                         Tags = new List<string> { "tag1", "tag2", "tag3" },
141.                         Properties = new Dictionary<string, object>
142.                         {
143.                             ["prop1"] = Guid.NewGuid(),
144.                             ["prop2"] = DateTime.Now,
145.                             ["prop3"] = Environment.TickCount
146.                         }
147.                     };
149.                     // 热点：对象序列化/反序列化模拟
150.                     var serialized = complexObject.ToString();
151.                     var deserialized = ComplexObject.FromString(serialized);
152.                 }
153.             }
154.         }
155.     }
157.     // 复杂对象 - 用于演示分配热点
158.     class ComplexObject
159.     {
160.         public int Id { get; set; }
161.         public string Name { get; set; }
162.         public byte[] Data { get; set; }
163.         public List<string> Tags { get; set; }
164.         public Dictionary<string, object> Properties { get; set; }
166.         public override string ToString()
167.         {
168.             return $"ComplexObject{{Id={Id}, Name={Name}, DataLength={Data?.Length ?? 0}}}";
169.         }
171.         public static ComplexObject FromString(string str)
172.         {
173.             // 模拟反序列化
174.             return new ComplexObject { Id = 0, Name = str };
175.         }
176.     }
177. }

复制代码

那么来看一下cpu火焰图:

可以看到一个datetime的now，后面都是大量的扩容创建对象啥的。
GC暂停时间：虽然火焰图主要显示CPU时间，但GC暂停期间的CPU使用也会被记录。
这个怎么说呢？
// .NET中有两种GC模式：
// 1. 工作站GC (Workstation GC) - 前台GC，会暂停所有线程
// 2. 服务器GC (Server GC) - 后台GC，使用专用线程
然后这两种工作状态呢?

1. // GC暂停期间，应用程序线程的状态：
2. // 1. 前台GC：所有线程被挂起
3. // 2. 后台GC：应用程序线程继续运行，GC线程在后台工作

复制代码

这里说的是gc暂停时间呢？说的是前台gc，所有的线程被挂起的情况。
前台gc暂停：
明显可见：前台GC会暂停所有用户线程，在火焰图中表现为明显的"热点"
具体表现：
GC.Collect() 调用会显示为CPU热点
GC.WaitForPendingFinalizers() 会显示为等待时间
用户线程在GC期间会显示为 WaitHandle.WaitOne 或 Thread.Sleep
GC.Collect() 和 GC.WaitForPendingFinalizers() 是gc回收的函数。
[code]using System;using System.Collections.Generic;using System.Diagnostics;using System.Threading;using System.Threading.Tasks;namespace GCPauseFlameDemo{    ///     /// 演示GC暂停在火焰图中的不同表现    ///     public class GCFlameGraphDemo    {        public static void RunDemo()        {            Console.WriteLine("=== GC暂停在火焰图中的表现演示 ===");            Console.WriteLine();            Console.WriteLine("请选择测试模式：");            Console.WriteLine("1. 前台GC演示 - 会明显显示在火焰图中");            Console.WriteLine("2. 后台GC演示 - 可能不明显");            Console.WriteLine("3. 业务逻辑演示 - 在GC暂停期间会受到影响");            Console.WriteLine("4. 密集GC演示 - 专门设计用于在火焰图中产生明显热点");            Console.WriteLine("5. 超激进GC演示 - 尝试在用户线程上产生明显的GC相关CPU使用");            Console.WriteLine("6. GC活动诊断 - 监控GC相关指标并解释火焰图表现");            Console.WriteLine("7. 混合模式 - 所有任务同时运行（用于对比）");            Console.WriteLine("8. 分阶段测试 - 依次测试每种模式");            Console.WriteLine();            Console.Write("请输入选择 (1-8): ");                        var choice = Console.ReadLine();                        switch (choice)            {                case "1":                    RunForegroundGCDemo();                    break;                case "2":                    RunBackgroundGCDemo();                    break;                case "3":                    RunBusinessLogicDemo();                    break;                case "4":                    RunIntensiveGCDemo();                    break;                case "5":                    RunUltraIntensiveGCDemo();                    break;                case "6":                    RunDiagnoseGCActivity();                    break;                case "7":                    RunMixedDemo();                    break;                case "8":                    RunStagedDemo();                    break;                default:                    Console.WriteLine("无效选择，运行混合模式演示...");                    RunMixedDemo();                    break;            }        }        ///         /// 演示前台GC - 在火焰图中会显示为明显的热点        ///         static void DemonstrateForegroundGC(CancellationToken token)        {            Console.WriteLine("前台GC演示开始 - 这些操作会在火焰图中显示为热点");                        while (!token.IsCancellationRequested)            {                // 大量分配内存，确保触发GC                var objects = new List();                for (int i = 0; i < 200000; i++)  // 增加分配量                {                    objects.Add(new byte[2000]); // 分配400MB                }                // 强制触发前台GC - 这会在火焰图中显示为CPU热点                var sw = Stopwatch.StartNew();                                // 多次调用GC，确保在火焰图中可见                for (int i = 0; i < 5; i++)  // 连续调用5次                {                    GC.Collect(0, GCCollectionMode.Forced);                    GC.WaitForPendingFinalizers();                                        // 短暂休眠，让采样器有机会捕获                    Thread.Sleep(10);                }                                sw.Stop();                                Console.WriteLine($"[前台GC] 强制GC耗时: {sw.ElapsedMilliseconds}ms");                                // 减少休眠时间，增加GC调用频率                Thread.Sleep(200);            }        }        ///         /// 演示后台GC - 在火焰图中可能不明显        ///         static void DemonstrateBackgroundGC(CancellationToken token)        {            Console.WriteLine("后台GC演示开始 - 这些操作在火焰图中可能不明显");                        while (!token.IsCancellationRequested)            {                // 大量分配，让后台GC自然触发                var objects = new List();                for (int i = 0; i < 50000; i++)                {                    objects.Add(new byte[2000]); // 分配100MB                }                // 不强制GC，让后台GC线程自然工作                // 后台GC线程的工作可能不会在火焰图中明显显示                                Thread.Sleep(300);            }        }        ///         /// 演示业务逻辑在GC暂停期间的表现        ///         static void DemonstrateBusinessLogic(CancellationToken token)        {            Console.WriteLine("业务逻辑演示开始 - 在GC暂停期间会受到影响");                        while (!token.IsCancellationRequested)            {                // 模拟正常的业务逻辑                var sw = Stopwatch.StartNew();                                // 密集计算                for (int i = 0; i < 10000; i++)                {                    var result = Math.Sqrt(i) * Math.PI;                }                                sw.Stop();                                // 如果业务逻辑在GC暂停期间执行，可能会显示为：                // - Thread.Sleep (等待GC完成)                // - WaitHandle.WaitOne (等待GC完成)                // - 执行时间异常长                                Console.WriteLine($"[业务逻辑] 计算耗时: {sw.ElapsedMilliseconds}ms");                                Thread.Sleep(100);            }        }        ///         /// 专门用于在火焰图中产生明显GC热点的方法        ///         static void DemonstrateIntensiveGC(CancellationToken token)        {            Console.WriteLine("密集GC演示开始 - 专门设计用于在火焰图中产生明显热点");            Console.WriteLine("注意：GC工作主要在专用线程上，可能不会在用户线程的火焰图中显示");                        while (!token.IsCancellationRequested)            {                // 创建大量对象，确保触发GC                var objects = new List();                for (int i = 0; i < 500000; i++)  // 大量分配                {                    objects.Add(new byte[1000]); // 分配500MB                }                // 密集调用GC，确保在火焰图中可见                var sw = Stopwatch.StartNew();                                // 连续多次GC，产生明显的CPU热点                for (int j = 0; j < 10; j++)  // 10次循环                {                    // 强制Gen0 GC                    GC.Collect(0, GCCollectionMode.Forced);                    GC.WaitForPendingFinalizers();                                        // 强制Gen1 GC                    GC.Collect(1, GCCollectionMode.Forced);                    GC.WaitForPendingFinalizers();                                        // 强制Gen2 GC（最耗时）                    GC.Collect(2, GCCollectionMode.Forced);                    GC.WaitForPendingFinalizers();                                        // 短暂休眠，让采样器捕获                    Thread.Sleep(5);                }                                sw.Stop();                                Console.WriteLine($"[密集GC] 强制GC耗时: {sw.ElapsedMilliseconds}ms");                                // 短暂休眠后继续                Thread.Sleep(100);            }        }        ///         /// 超激进GC测试 - 尝试在用户线程上产生明显的GC相关CPU使用        ///         static void DemonstrateUltraIntensiveGC(CancellationToken token)        {            Console.WriteLine("超激进GC演示开始 - 尝试在用户线程上产生明显的GC相关CPU使用");            Console.WriteLine("这个测试会尝试在用户线程上执行GC相关工作");                        while (!token.IsCancellationRequested)            {                // 创建大量对象                var objects = new List();                for (int i = 0; i < 1000000; i++)  // 1M个对象                {                    objects.Add(new byte[1000]); // 分配1GB                }                var sw = Stopwatch.StartNew();                                // 在用户线程上执行密集的GC相关操作                for (int j = 0; j < 20; j++)  // 20次循环                {                    // 连续调用GC，尝试在用户线程上产生CPU热点                    for (int k = 0; k < 5; k++)                    {                        GC.Collect(0, GCCollectionMode.Forced);                        GC.WaitForPendingFinalizers();                                                // 在用户线程上执行一些计算，确保CPU使用                        for (int l = 0; l < 10000; l++)                        {                            var result = Math.Sqrt(l) * Math.PI;                        }                    }                                        // 强制Gen1和Gen2 GC                    GC.Collect(1, GCCollectionMode.Forced);                    GC.WaitForPendingFinalizers();                                        GC.Collect(2, GCCollectionMode.Forced);                    GC.WaitForPendingFinalizers();                                        // 在用户线程上执行更多计算                    for (int l = 0; l < 5000; l++)                    {                        var result = Math.Sin(l) * Math.Cos(l);                    }                }                                sw.Stop();                                Console.WriteLine($"[超激进GC] 强制GC耗时: {sw.ElapsedMilliseconds}ms");                Console.WriteLine($"当前内存使用: {GC.GetTotalMemory(false) / 1024 / 1024} MB");                                Thread.Sleep(50);            }        }        ///         /// 诊断GC活动的方法        ///         static void DiagnoseGCActivity(CancellationToken token)        {            Console.WriteLine("GC活动诊断开始 - 监控GC相关指标");                        var lastGen0 = GC.CollectionCount(0);            var lastGen1 = GC.CollectionCount(1);            var lastGen2 = GC.CollectionCount(2);            var lastMemory = GC.GetTotalMemory(false);            while (!token.IsCancellationRequested)            {                var currentGen0 = GC.CollectionCount(0);                var currentGen1 = GC.CollectionCount(1);                var currentGen2 = GC.CollectionCount(2);                var currentMemory = GC.GetTotalMemory(false);                if (currentGen0 > lastGen0 || currentGen1 > lastGen1 || currentGen2 > lastGen2)                {                    Console.WriteLine($"\n=== GC事件检测到 [{DateTime.Now:HH:mm:ss.fff}] ===");                    Console.WriteLine($"Gen0: {currentGen0 - lastGen0} 次");                    Console.WriteLine($"Gen1: {currentGen1 - lastGen1} 次");                    Console.WriteLine($"Gen2: {currentGen2 - lastGen2} 次");                    Console.WriteLine($"内存变化: {(currentMemory - lastMemory) / 1024 / 1024} MB");                    Console.WriteLine($"总内存: {currentMemory / 1024 / 1024} MB");                                        // 解释为什么GC可能不在火焰图中显示                    Console.WriteLine("
来源：程序园用户自行投稿发布，如果侵权，请联系站长删除
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！