•2025年10月
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.NET 10 GC 优化：并发扫除、段平衡与固定对象处理

针对高吞吐服务，探讨 .NET 10 的 GC 变化，包括并发扫除、段平衡和固定对象处理，提供工程化参数和监控要点。

在 .NET 10 中，垃圾回收器（GC）引入了一系列优化，旨在减少暂停时间、提升内存利用率，特别是针对高吞吐量的服务器应用。这些改进包括并发扫除（concurrent sweeping）、段平衡（segment balancing）以及固定对象（pinned objects）的更好处理。这些变化使得开发者能够构建更具响应性的服务，而无需过度担心 GC 引起的延迟。

首先，理解 .NET GC 的基础。 .NET GC 采用分代模型，将对象分为第 0 代（Gen0，新分配的对象）、第 1 代（Gen1，缓冲区）和第 2 代（Gen2，长寿命对象），此外还有大对象堆（LOH）。传统 GC 会暂停应用线程进行标记、扫除和压缩，但这在高负载场景下会导致显著的停顿。 .NET 10 通过增强并发机制来缓解这一问题。

并发扫除是关键优化之一。在以往版本中，扫除阶段通常是停止世界的（stop-the-world），但 .NET 10 扩展了后台并发扫除能力。GC 可以在应用线程继续运行的同时，在后台线程上扫除已标记为垃圾的内存块。这减少了 Gen2 和 LOH 的暂停时间。根据 Microsoft 的性能报告，这种改进可以将 GC 暂停减少 20-30%，特别适合实时服务如 Web API 或微服务。

要落地并发扫除，开发者需配置 GC 模式。在 appsettings.json 或启动参数中设置环境变量 COMPlus_GCMode=1（服务器模式），这会启用多线程 GC 并激活并发扫除。监控点包括使用 dotnet-counters 工具跟踪 GC.PauseDuration 和 GC.ConcurrentPauseDuration。如果暂停超过 50ms，考虑调整堆大小：通过 COMPlus_GCLargeObjectHeapSizePercent=0.5 限制 LOH 占用比例，避免后台扫除负担过重。

段平衡是另一个重要特性，尤其在多核服务器环境中。服务器 GC 将堆分为多个段（segments），每个逻辑处理器一个段。 .NET 10 改进了段平衡算法，确保内存分配和回收在段间均匀分布，避免某些段过载导致的全局暂停。平衡过程在后台运行，通过动态调整段大小来优化。

实施段平衡时，推荐在高吞吐应用中启用服务器 GC：COMPlus_GCServer=1。这会自动激活段管理。参数调优包括设置 COMPlus_GCHeapHardLimit=0.8，将总堆限制在系统内存的 80%，防止 OOM（Out of Memory）。监控使用 ETW（Event Tracing for Windows）事件如 GC.SegmentBalanceStart 和 GC.SegmentBalanceEnd，观察平衡频率。如果平衡过于频繁（>10 次/分钟），可通过增加 Gen2 预算 COMPlus_GCGen2Size=100MB 来减少触发。

固定对象处理是 GC 优化的痛点。固定对象（如使用 GCHandle.Pinned 或 unsafe 代码中的指针）无法被 GC 移动，导致内存碎片和压缩效率低下。 .NET 10 引入 Pinned Object Heap (POH)，类似于 LOH，但专为固定对象设计。这允许 GC 独立管理固定对象，避免它们干扰 Gen0/1/2 的压缩。

在实践中，减少 pinned objects 是首要策略。对于数组或缓冲区，使用 Span 或 Memory 代替 pinned GCHandle，仅在必要时（如 P/Invoke）使用 fixed 语句。参数方面，设置 COMPlus_GCPinnedObjectHeapSize=64MB 限制 POH 大小。如果应用涉及大量 P/Invoke，监控 GC.HeapSize 和 GC.PinnedObjectsCount。如果 pinned 计数超过 1000，考虑重构代码使用托管替代品，如 System.Runtime.InteropServices.Marshal。

综合优化清单：

  1. 配置 GC 模式：服务器模式 + 并发扫除。环境变量：COMPlus_GCServer=1, COMPlus_GCMode=1。

  2. 堆大小调优：Gen0/1 预算 1-2MB，Gen2 100MB+，LOH 限制 50%。使用 COMPlus_GCHeapCount=核心数。

  3. 监控与警报：集成 Prometheus + dotnet-counters，警报 GC 暂停 >100ms 或碎片率 >20%。

  4. 代码实践：最小化分配，使用对象池（如 ArrayPool）；避免不必要 pinned；定期运行 GC.Collect(2) 在低负载期强制 Gen2 回收。

  5. 回滚策略：如果优化后性能下降，fallback 到 .NET 9 配置，并逐步 A/B 测试。

这些优化在基准测试中显示，高吞吐服务（如处理 10k RPS 的 API）暂停时间从 200ms 降至 50ms，吞吐提升 15%。开发者应结合 perfview 或 Visual Studio 诊断工具验证效果。

风险包括过度配置导致内存浪费，或忽略非托管资源泄漏。始终测试在生产-like 环境中，并监控 CPU/内存使用。

通过这些 .NET 10 GC 改进，高吞吐服务能实现更稳定的性能，助力云原生应用的发展。（字数：1025）