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UEGC详解

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UE标记清除GC算法特点

ＵＥＧＣ分析

UE标记清除GC算法特点

UE4采用“追踪式、精确式、非搬迁式、非实时、非渐进式”的标记清扫（Mark-Sweep）GC算法。该算法分为两个阶段：标记阶段（GC Mark）和清扫阶段（GC Sweep）

  • 跟踪式：达到GC条件时，通过扫描系统中是否有对象引用的方式来判断是否回收

    • 引用计数：额外分配空间用于存储引用计数，引用为0时回收对象本身

  • 精确式：需要额外的数据来判断，以识别每个对象的引用（比如标识符UPROPERTY）

    • 保守式：不需要额外的数据来支持对象的判断

  • 非搬迁式：不需要移动GC对象的内存位置

    • 搬迁式：例如标记复制法，将成功标记的对象复制到另一个堆中，剩下的对象就可以被GC了

  • 非实时：需要停止用户程序的执行

    • 实时：不需要停止用户执行

  • 非渐进式：对象被GC后立即回收占用的内存资源

    • 渐进式：在GC达成一定条件的时候进行回收操作

 

被UPROPERTY宏修饰，或者在AddReferencedObjects手动添加引用的UObject*成员变量，才能被GC识别。

首先说一下UE中GC的大致流程：

  • 启动GC时加锁，防止GC时引用关系发生变化
  • 将所有对象设置为“不可达”（特殊对象、根对象除外）
  • 从根对象开始遍历，引用到的对象去除“不可达”标记
  • 将所有“不可达”删除

 

基础操作

使用：在大多数情况下，继承自UObject类的变量，前面加一个UPROPERTY宏，那么这个变量自然就被纳入UE的垃圾回收系统之中了。

如果变量继承自非UObject类的对象变量，那么这个这个承载这个变量需要继承自FGCObject类，并且该类需要重写实现FGCObject提供的AddReferencedObjects接口，在接口中调用AddReferencedObject方法手动添加该对象至Collector实现。

也就是非UObject引用了UObject类对象

//.h
class FTestClass : public FGCObject
{
public:


FTestClass();

class UTestObject* MyObject;

virtual void AddReferencedObjects(FReferenceCollector& Collector) override;



};


//.cpp
FTestClass::FTestClass()
{
    MyObject = NewObject<UTestObject>(GetTransientPackage(), TEXT("TestGCPlgTestObject"));
}


void FTestClass::AddReferencedObjects(FReferenceCollector& Collector)
{
    Collector.AddReferencedObject(MyObject);
}

至于其他类型的对象，则使用智能指针或者其他方法进行GC管理

Q：如果一个对象在拥有UPROPERTY标记的同时又被AddReferenceObjects手动添加进GC系统会发生什么？

 

其他操作方法

AddToRoot()将UObject对象添加到根节点Root上，这样就不会被GC回收了，对应的方法为RemoveFromRoot()。是通过将对象对应GUObjectArray中的FUObjectItem的Flags会加上EInternalObjectFlags::RootSet标记实现的。

 

IsValid()这个函数检查对象是否有效，对应C++中的“!=null”操作，但是这个函数本身可以对对象进行更多的检查。

  • 检查UObject指针指向是否为空——为空则返回false
  • 检查对象内部的InternalFlags，如果被标记为待销毁，则返回false
  • 检查对象是否正在被垃圾回收，如果是，则返回false
#include "UObject/UObjectGlobals.h"


bool IsValid(const UObject* Object)
{
    if (Object == nullptr)
    {
        return false;
    }


if (Object-&gt;IsPendingKill())
{
    return false;
}

if (Object-&gt;HasAnyFlags(RF_BeginDestroyed) || Object-&gt;HasAnyFlags(RF_FinishDestroyed))
{
    return false;
}

return true;



}

 

MarkPendingKill()手动将对象设置为等待回收的对象，意思就是跳过GC一系列的算法，直接在下一轮将对象回收。是通过将对象对应GUObjectArray中的FUObjectItem的Flags加上EInternalObjectFlags::PendingKill标记来实现的。

 

防止被GC

  • 使用AddToRoot函数
  • 直接或间接被Root对象引用
  • 直接或间接被FGCObject对象引用

 

主动GC

CollectGarbage()在当前帧内进行一次垃圾回收

ForceCollectGarbage()在下一帧内进行一次垃圾回收

 

判断UObject对象有效性

IsValid()——判断指针是否为空，判断是否为PendingKill

 

基础定义

类EInternalObjectFlags

FUObjectItem用于保存UObject信息，存有一个EInernalObjectFlags的枚举变量，这个变量代表着当前对象的情况，比如PendingKill代表对象就要被回收了。

在类型系统中的其他Flags：

  • EObjectFlags：对象本身的标志。
  • EInternalObjectFlags：对象存储的标志，GC的时候用来检查可达性。
  • EObjectMark：用来额外标记对象特征的标志，用在序列化过程中标识状态。
  • EClassFlags：类的标志，定义了一个类的特征。
  • EClassCastFlags：类之间的转换，可以快速的测试一个类是否可以转换成某种类型。
  • EStructFlags：结构的特征标志。
  • EFunctionFlags：函数的特征标志。
  • EPropertyFlags：属性的特征标志。

来自大钊的《InsideUE4》

ReachableInCluster = 1 << 23, ///< 集群中存在对对象的外部引用

ClusterRoot = 1 << 24, ///< 集群的根 Native = 1 << 25, ///< 本地的(仅UClass)。 Async = 1 << 26, ///< 对象只存在于与游戏线程不同的线程上。 AsyncLoading = 1 << 27, ///< 对象正在异步加载。 Unreachable = 1 << 28, ///< 对象在对象图(Graph)上不可达。 PendingKill = 1 << 29, ///< 等待销毁的对象(在GamePlay中无效，但暂时还依然有效的对象) RootSet = 1 << 30, ///< 对象将不会被垃圾回收，即使未引用。

如何看待FUObjectItem？这个结构在某UObject被纳入UE的GC管理后被分配，为一对一的关系，用于存储该对象的一些GC相关的元数据。也并不一定为一对一的关系，比如某些UObject不被纳入此UE的正常GC之中则不会被分配。

由于FUObjectItem本身只是结构体，而且在GUObjectArray中排列紧密，所以在GC的扫描中能很方便得直接进行For循环遍历，而且此For循环也可以使用多线程版本的For循环。

//UObjectArray.h
struct FUObjectItem
{
   class UObjectBase* Object; //对象，使用newObject时返回的对象指针
   int32 Flags;               //EInternalObjectFlags标识
   int32 ClusterRootIndex;    //当前所属簇索引
   int32 SerialNumber;        //对象序列码(WeakObjectPtr实现用到它)
}

 

GC流程

首先从CollectGarbage()开始，这个函数做了三件事：

  • 获取GC锁
  • 执行CollectGarbageInternal
  • 释放GC锁

 

UE引擎中的GC是多线程的，所以要设置GC锁。比如防止一个对象加载后，其引用还没被添加，就被当成垃圾被GC掉，所以这个锁的目的是防止其他线程对这个UObject进行相关操作。

重点是CollectGarbageInternal，这个函数之内执行标记和清扫操作。

标记

PerformReachabilityAnalysis()方法：

  • 在ObjectsToSerialize中添加FGCObject::GGCObjectReferencer，用于在非UObject对象上调用AddReferencedObjects方法。
  • 调用MarkObjectsAsUnreachable，将不带KeepFlags标记的对象标记为不可达。

GUObjectArray，这个全局的变量保存了所有的UObject（由FUObjectItem封装）。可以通过下标来找到UObject，此下标就存储在UObjectBase::InternalIndex属性之中。

此外，这个UObject列表的前部有一些不被纳入GC的obj，会在gc扫描时特地排除。

  • PerformReachabilityAnalysisOnObjects判断可达。

ReferenceToken是一组token流，用于描述类中对象的引用情况，使用它的原因是代替UProperty来扫描对象引用关系，达到更高效率。

每一个UObject都有一个对应的UClass来保存这个对象中每一个属性的相关信息，可以通过这个对象的实例化地址来遍历所有的属性，这样也能得到所有的引用对象。但是时则以的效率太慢，因为大部分情况下对象的属性都不是UObject类型。

token流的意思就是将一系列数据转化为uint32值，这个值的实际意义是这个对象引用的其他对象的偏移位置，使之更方便传输与缓存。

token在UE中由FGCReferenceInfo这个类来描述，具体如下：

/** Mapping to exactly one uint32 */
union
{
 /** Mapping to exactly one uint32 */
 struct
 {
     /** Return depth, e.g. 1 for last entry in an array, 2 for last entry in an array of structs of arrays, ... */
     uint32 ReturnCount	: 8;
     /** Type of reference */
     uint32 Type			: 4;
     /** Offset into struct/ object */
     uint32 Offset		: 20;
 };
 /** uint32 value of reference info, used for easy conversion to/ from uint32 for token array */
 uint32 Value;
};
  • ReturnCount——嵌套深度
  • Type——引用的类型（EGCRefenceType）
  • Offset——引用对应属性在类中的地址偏移

可以通过解析token流来得到所引用的属性，然后这个属性其实就是这个类的成员变量，换句话说也就是“这个对象所引用的对象”了；其次，两个token（32位）还可以用于存储指针（64位），比如使用AddReferencedObjects添加对象时，它的函数指针。

ProcessObjectArray就是实质性的遍历Uobject的token流并寻找引用关系的方法，在多线程的情况下，UObject的列表被分配给各个线程，并调用ProcessObjectArray。此方法中遍历的就是ObjectsToSerialize中的UObject来寻找引用关系并判断可达性的。

所有一整个标记的流程大概为：UObject的反射信息UClass中含有一个token流属性，这个属性为一个用int值保存属性信息的共同体——>CollectGarbage()中的标记核心函数触发——>PerformReachabilityAnalysis()获取到GUObjectArray中的所有对象，根据标签更改标记，包括继承了FGCObject的非UObject对象，如果对象可达，则放入ObjectsToSerialize——>PerformReachabilityAnalysisOnObjectsInternal()通过解析对象的token流，判断属性是否为UObject类型，如果是，则将引用对象去除不可达标记，并将其加入ObjectsToSerialize中

ObjectsToSerialize这个列表是动态的，因为遍历的过程中肯定会遍历到引用的新对象，于是这个新对象也会被纳入到这个ObjectsToSerialize中，并一轮又一轮得递归遍历。

 

清除

整个标记流程结束后，GObjectArray再次被遍历，所有的不可达对象放入GUnreachableObjects中。

清除的流程分为UnhashUnreachableObjects和IncrementalDestroyGarbage两部分，前者调用所有不可达对象的BeginDestroy，后者调用所有不可达对象的FinishDestroy。

BeginDestroy意思是通知对象即将被销毁，该对象需要做好在其他线程上的清理工作。

FinishDestroy调用之前会判断对象是否做好清理工作，之后会将走到这一流程的所有对象在下一帧调用析构函数，被彻底清理。

 

Cluster

//todo

 

QA

可以看https://zhuanlan.zhihu.com/p/401956734的最后段，我觉得很有用