IL2CPP 内部：垃圾收集器集成
与本系列的所有文章一样，本文章涉及的实施细节在未来可能会发生变化。在本篇文章中，我们将具体介绍运行时代码用于与垃圾回收器通信的一些内部 API。这些 API 并不公开支持，您不应尝试在实际项目中的任何代码中调用它们。不过，这是一篇关于内部结构的文章，所以我们还是深入探讨一下吧。
我不会在这篇文章中讨论一般的垃圾 Collections 技术，因为这是一个广泛而多样的主题，现有的研究和发布的信息很多。要理解这一点，只需将 GC 想象成一种开发对象引用有向图的算法。如果对象 "子对象 "被对象 "父对象 "使用（通过本地代码中的指针），那么图形看起来就像这样：
当 GC 扫描内存中的进程时，它会寻找没有父进程的对象。如果找到了，就可以在其他地方重复使用该对象的内存。
当然，大多数对象都会有某种父对象，因此 GC 确实需要知道哪些对象是重要的父对象。我喜欢把它们看作是程序实际使用的对象。在 GC 术语中，这些被称为 "根"。下面是一个没有根的父代的例子。
在这种情况下，父 2 没有根，因此 GC 可以重复使用父 2 和子 2 的内存。不过，父 1 和子 1 确实有一个根，所以 GC 不能重复使用它们的内存。该计划仍在利用它们做一些事情。
对于 .NET，有三种根：
- 任何执行托管代码的线程堆栈上的 Local 变量
- 静态变量
- GCHandle对象
我们将看到 IL2CPP 如何就这三种根与垃圾回收器进行通信。
在这篇文章中，我使用的是 OSX 上的 Unity 5.1.0p1，并且是为 iOS 平台构建的。这将允许我们使用 Xcode 来查看 IL2CPP 如何与垃圾回收器交互。与本系列的其他文章一样，我将使用一个带有单一脚本的示例项目：
using System;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Threading;
using UnityEngine;
public class AnyClass {}
public class HelloWorld : MonoBehaviour {
private static AnyClass staticAnyClass = new AnyClass();
void Start () {
var thread = new Thread(AnotherThread);
thread.Start();
thread.Join();
var anyClassForGCHandle = new AnyClass();
var gcHandle = GCHandle.Alloc(anyClassForGCHandle);
}
private static void AnotherThread() {
var anyClassLocal = new AnyClass();
}
}我在 "构建设置 "对话框中启用了 "开发构建"，并将 "在 Xcode 中作为......运行 "选项设置为 "调试"。在生成的 Xcode 项目中，首先搜索字符串 "Start_m"。您应该会看到 HelloWorld 类中名为 HelloWorld_Start_m3 的 Start 方法的生成代码。
在 HelloWorld_Start_m3 函数中调用 Thread_Start_m9 的一行添加一个断点。该方法将创建一个新的托管线程，因此我们希望该线程能作为根线程添加到 GC 中。我们可以通过查看 Unity 随附的 libil2cpp 头文件来了解发生这种情况的原因。在 Unity 安装程序中打开 Contents/Frameworks/il2cpp/libil2cpp/gc/gc-internal.h 文件。该文件包含许多以 il2cpp_gc_ 为前缀的方法，是 libil2cpp 运行时与垃圾回收器之间的 API 的一部分。请注意，这不是一个公共 API，因此请不要从任何实际项目代码中调用这些方法。如有更改或删除，恕不另行通知。
让我们在 Xcode 中使用 "调试">"断点">"创建符号断点 "在 il2cpp_gc_register_thread 函数上创建一个断点。
如果您在 Xcode 中运行该项目，您会发现断点几乎立即被击中。我们无法看到源代码，因为它是在 libil2cpp 运行时静态库中构建的，但我们可以从调用堆栈中看到，该线程是在 InitializeScriptingBackend 方法中创建的，该方法在播放器启动时执行。
实际上，当播放器创建内部使用的每个托管线程时，我们会多次看到这个断点被击中。目前，您可以在 Xcode 中禁用此断点，让项目继续进行。我们应该点击之前在 HelloWorld_Start_m3 方法中设置的断点。
现在我们正要启动脚本代码创建的托管线程，因此再次启用 il2cpp_gc_register_thread 上的断点。当我们点击该断点时，第一个线程正等待加入我们创建的线程，但创建线程的调用堆栈显示我们刚刚开始启动它：
当线程向垃圾回收器注册时，GC 会将该线程本地堆栈上的所有对象视为根对象。让我们看看在该线程上运行的方法（HelloWorld_AnotherThread_m4）的生成代码：
AnyClass_t1 * L_0 = (AnyClass_t1 *)il2cpp_codegen_object_new (AnyClass_t1_il2cpp_TypeInfo_var);
AnyClass__ctor_m0(L_0, /*hidden argument*/NULL);
V_0 = L_0;我们可以看到一个本地变量 L_0，GC 必须将其视为根。在该线程的（短暂）生命周期内，垃圾回收器不能重复使用 AnyClass 对象的该实例及其引用的任何其他对象。栈中定义的变量是最常见的 GC 根，因为程序中的大多数对象都是从托管线程上执行的方法中的 Localization 变量开始的。
当线程退出时，会调用 il2cpp_gc_unregister_thread 函数来告诉 GC 停止将线程栈上的对象视为根。然后，GC 就可以为本地代码中由 L_0 表示的 AnyClass 对象重新使用内存。
不过，有些变量并不存在于线程调用栈中。这些都是静态变量，垃圾回收器也需要将它们作为根变量处理。
当 IL2CPP 对一个类进行本地表示时，它会将所有静态字段组合在一个不同于类中实例字段的 C++ 结构中。在 Xcode 中，我们可以跳转到 HelloWorld_t2 类的定义：
struct HelloWorld_t2 : public MonoBehaviour_t3
{
};
struct HelloWorld_t2_StaticFields{
// AnyClass HelloWorld::staticAnyClass
AnyClass_t1 * ___staticAnyClass_2;
};请注意，IL2CPP 不使用 C++ 的 static 关键字，因为它需要控制静态字段的布局和分配，以便与 GC 正确通信。运行时首次使用类型时，libil2cpp 代码将初始化该类型。初始化工作的一部分是为 HelloWorld_t2_StaticFields 结构分配内存。该内存是通过对 GC 的特殊调用分配的：il2cpp_gc_alloc_fixed（也在 gc-internal.h 文件中）。
该调用会通知垃圾回收器将已分配的内存作为根内存处理，GC 会在进程的生命周期内尽职尽责地完成这项工作。在 Xcode 中可以对 il2cpp_gc_alloc_fixed 函数设置断点，但它被频繁调用（即使对于这个简单的项目），因此断点的作用不大。
假设你不想使用静态变量，但仍想对垃圾回收器何时允许重用对象的内存进行更多控制。当需要从托管代码向本地代码传递指向托管对象的指针时，这通常很有用。如果本地代码将获得该对象的所有权，我们就需要告诉垃圾回收器，本地代码现在是其对象图中的根。这是通过使用一个名为GCHandle 的特殊托管对象来实现的。
GCHandle 的创建会通知运行时代码，给定的托管对象在 GC 中应被视为根对象，这样它及其引用的任何对象都不会被重复使用。在 IL2CPP 中，我们可以在 Contents/Frameworks/il2cpp/libil2cpp/gc/GCHandle.h 文件中看到实现这一点的底层 API。同样，这也不是一个公开的 API，但研究起来很有趣。让我们在 GCHandle::New 函数上设置一个断点。如果我们让项目继续运行，就会看到这样的调用堆栈：
请注意，Start 方法的生成代码正在调用 GCHandle_Alloc_m11，最终会创建一个 GCHandle，并通知垃圾回收器我们有了一个新的根对象。
我们查看了一些内部 API 方法，了解 IL2CPP 运行时如何与垃圾回收器互动，让它知道哪些对象是应该保留的根。请注意，我们完全没有讨论 IL2CPP 使用哪种垃圾回收器。它目前使用Boehm-Demers-WeiserGC，但我们努力将垃圾回收器隔离在一个干净的界面后面。我们目前计划研究如何集成开源CoreCLR垃圾收集器。我们尚未确定该集成的发货日期，但请关注我们的公开路线图更新。
与往常一样，我们对 IL2CPP 中的 GC 集成还只是浅尝辄止。我鼓励您进一步了解 IL2CPP 和 GC 如何相互作用。也请分享您的见解。
下一次，我们将介绍如何测试 IL2CPP 代码，从而结束 IL2CPP 内部结构系列。