Android-GC原理探究（深度好文），Android高级工程师必看系列

湛蓝之海

Starting Size : Dalvik虚拟机启动的时候，会先分配一块初始的堆内存给虚拟机使用。
Growth Limit:是系统给每一个程序的最大堆上限,超过这个上限，程序就会OOM
Maximum Size：不受控情况下的最大堆内存大小，起始就是我们在用largeheap属性的时候，可以从系统获取的最大堆大小
同时除了上面的这个三个指标外，还有几个指标也是值得我们关注的，那就是堆最小空闲值（Min Free）、堆最大空闲值（Max Free）和堆目标利用率（Target Utilization）。假设在某一次GC之后，存活对象占用内存的大小为LiveSize，那么这时候堆的理想大小应该为(LiveSize / U)。但是(LiveSize / U)必须大于等于(LiveSize + MinFree)并且小于等于(LiveSize + MaxFree)，每次GC后垃圾回收器都会尽量让堆的利用率往目标利用率靠拢。所以当我们尝试手动去生成一些几百K的对象，试图去扩大可用堆大小的时候，反而会导致频繁的GC，因为这些对象的分配会导致GC，而GC后会让堆内存回到合适的比例，而我们使用的局部变量很快会被回收理论上存活对象还是那么多，我们的堆大小也会缩减回来无法达到扩充的目的。 与此同时这也是产生CONCURRENT GC的一个因素，后文我们会详细讲到。

2.3 GC的类型

• GC_FOR_MALLOC: 表示是在堆上分配对象时内存不足触发的GC。
  
• GC_CONCURRENT: 当我们应用程序的堆内存达到一定量，或者可以理解为快要满的时候，系统会自动触发GC操作来释放内存。
  
• GC_EXPLICIT: 表示是应用程序调用System.gc、VMRuntime.gc接口或者收到SIGUSR1信号时触发的GC。
  
• GC_BEFORE_OOM: 表示是在准备抛OOM异常之前进行的最后努力而触发的GC。
  

实际上，GC_FOR_MALLOC、GC_CONCURRENT和GC_BEFORE_OOM三种类型的GC都是在分配对象的过程触发的。而并发和非并发GC的区别主要在于前者在GC过程中，有条件地挂起和唤醒非GC线程，而后者在执行GC的过程中，一直都是挂起非GC线程的。并行GC通过有条件地挂起和唤醒非GC线程，就可以使得应用程序获得更好的响应性。但是同时并行GC需要多执行一次标记根集对象以及递归标记那些在GC过程被访问了的对象的操作，所以也需要花费更多的CPU资源。后文在Art的并发和非并发GC中我们也会着重说明下这两者的区别。

2.4 对象的分配和GC触发时机
1. 调用函数dvmHeapSourceAlloc在Java堆上分配指定大小的内存。如果分配成功，那么就将分配得到的地址直接返回给调用者了。函数dvmHeapSourceAlloc在不改变Java堆当前大小的前提下进行内存分配，这是属于轻量级的内存分配动作。
2. 如果上一步内存分配失败，这时候就需要执行一次GC了。不过如果GC线程已经在运行中，即gDvm.gcHeap->gcRunning的值等于true，那么就直接调用函数dvmWaitForConcurrentGcToComplete等到GC执行完成就是了。否则的话，就需要调用函数gcForMalloc来执行一次GC了，参数false表示不要回收软引用对象引用的对象。
3. GC执行完毕后，再次调用函数dvmHeapSourceAlloc尝试轻量级的内存分配操作。如果分配成功，那么就将分配得到的地址直接返回给调用者了。
4. 如果上一步内存分配失败，这时候就得考虑先将Java堆的当前大小设置为Dalvik虚拟机启动时指定的Java堆最大值，再进行内存分配了。这是通过调用函数dvmHeapSourceAllocAndGrow来实现的。
5. 如果调用函数dvmHeapSourceAllocAndGrow分配内存成功，则直接将分配得到的地址直接返回给调用者了。
6. 如果上一步内存分配还是失败，这时候就得出狠招了。再次调用函数gcForMalloc来执行GC。参数true表示要回收软引用对象引用的对象。
7. GC执行完毕，再次调用函数dvmHeapSourceAllocAndGrow进行内存分配。这是最后一次努力了，成功与事都到此为止。
示例图如下：

通过这个流程可以看到，在对象的分配中会导致GC，第一次分配对象失败我们会触发GC但是不回收Soft的引用，如果再次分配还是失败我们就会将Soft的内存也给回收，前者触发的GC是GC_FOR_MALLOC类型的GC，后者是GC_BEFORE_OOM类型的GC。而当内存分配成功后，我们会判断当前的内存占用是否是达到了GC_CONCURRENT的阀值，如果达到了那么又会触发GC_CONCURRENT。
那么这个阀值又是如何来的呢，上面我们说到的一个目标利用率，GC后我们会记录一个目标值，这个值理论上需要再上述的范围之内，如果不在我们会选取边界值做为目标值。虚拟机会记录这个目标值，当做当前允许总的可以分配到的内存。同时根据目标值减去固定值（200~500K),当做触发GC_CONCURRENT事件的阈值。

2.5 回收算法和内存碎片
主流的大部分Davik采取的都是标注与清理（Mark and Sweep）回收算法，也有实现了拷贝GC的，这一点和HotSpot是不一样的，具体使用什么算法是在编译期决定的，无法在运行的时候动态更换。如果在编译dalvik虚拟机的命令中指明了"WITH_COPYING_GC"选项，则编译"/dalvik/vm/alloc/Copying.cpp"源码 – 此是Android中拷贝GC算法的实现，否则编译"/dalvik/vm/alloc/HeapSource.cpp" – 其实现了标注与清理GC算法。
由于Mark and Sweep算法的缺点，容易导致内存碎片，所以在这个算法下，当我们有大量不连续小内存的时候，再分配一个较大对象时，还是会非常容易导致GC，比如我们在该手机上decode图片，具体情况如下：

所以对于Dalvik虚拟机的手机来说，我们首先要尽量避免掉频繁生成很多临时小变量（比如说：getView，onDraw等函数），另一个又要尽量去避免产生很多长生命周期的大对象。

3、ART内存回收机制

3.1 Java堆
ART运行时内部使用的Java堆的主要组成包括Image Space、Zygote Space、Allocation Space和Large Object Space四个Space，Image Space用来存在一些预加载的类， Zygote Space和Allocation Space与Dalvik虚拟机垃圾收集机制中的Zygote堆和Active堆的作用是一样的，
Large Object Space就是一些离散地址的集合，用来分配一些大对象从而提高了GC的管理效率和整体性能，类似如下图：

在下文的GC Log中，我们也能看到在art的GC Log中包含了LOS的信息，方便我们查看大内存的情况。

3.2 GC的类型

• kGcCauseForAlloc ，当要分配内存的时候发现内存不够的情况下引起的GC，这种情况下的GC会stop world
  
• kGcCauseBackground，当内存达到一定的阀值的时候会去出发GC，这个时候是一个后台gc，不会引起stop world
  
• kGcCauseExplicit，显示调用的时候进行的gc，如果art打开了这个选项的情况下，在system.gc的时候会进行gc
  
• 其他更多
  

3.3 对象的分配和GC触发时机
由于Art下内存分配和Dalvik下基本没有任何区别，我直接贴图带过了。

3.4 并发和非并发GC
Art在GC上不像Dalvik仅有一种回收算法，Art在不同的情况下会选择不同的回收算法，比如Alloc内存不够的时候会采用非并发GC，而在Alloc后发现内存达到一定阀值的时候又会触发并发GC。同时在前后台的情况下GC策略也不尽相同，后面我们会一一给大家说明。

• 非并发GC
  

步骤1. 调用子类实现的成员函数InitializePhase执行GC初始化阶段。
步骤2. 挂起所有的ART运行时线程。
步骤3. 调用子类实现的成员函数MarkingPhase执行GC标记阶段。
步骤4. 调用子类实现的成员函数ReclaimPhase执行GC回收阶段。
步骤5. 恢复第2步挂起的ART运行时线程。
步骤6. 调用子类实现的成员函数FinishPhase执行GC结束阶段。

• 并发GC
  

步骤1. 调用子类实现的成员函数InitializePhase执行GC初始化阶段。
步骤2. 获取用于访问Java堆的锁。
步骤3. 调用子类实现的成员函数MarkingPhase执行GC并行标记阶段。
步骤4. 释放用于访问Java堆的锁。
步骤5. 挂起所有的ART运行时线程。
步骤6. 调用子类实现的成员函数HandleDirtyObjectsPhase处理在GC并行标记阶段被修改的对象。。
步骤7. 恢复第4步挂起的ART运行时线程。
步骤8. 重复第5到第7步，直到所有在GC并行阶段被修改的对象都处理完成。
步骤9. 获取用于访问Java堆的锁。
步骤10. 调用子类实现的成员函数ReclaimPhase执行GC回收阶段。
步骤11. 释放用于访问Java堆的锁。
步骤12. 调用子类实现的成员函数FinishPhase执行GC结束阶段。
所以不论是并发还是非并发，都会引起stopworld的情况出现，并发的情况下单次stopworld的时间会更短，基本区别和。

3.5 Art并发和Dalvik并发GC的差异
首先可以通过如下2张图来对比下
Dalvik GC：

Art GC

Art的并发GC和Dalvik的并发GC有什么区别呢，初看好像2者差不多，虽然没有一直挂起线程，但是也会有暂停线程去执行标记对象的流程。通过阅读相关文档可以了解到Art并发GC对于Dalvik来说主要有三个优势点：
1、标记自身
Art在对象分配时会将新分配的对象压入到Heap类的成员变量allocation_stack_描述的Allocation Stack中去，从而可以一定程度缩减对象遍历范围。
2、预读取
对于标记Allocation Stack的内存时，会预读取接下来要遍历的对象，同时再取出来该对象后又会将该对象引用的其他对象压入栈中，直至遍历完毕。
3、减少Pause时间
在Mark阶段是不会Block其他线程的，这个阶段会有脏数据，比如Mark发现不会使用的但是这个时候又被其他线程使用的数据，在Mark阶段也会处理一些脏数据而不是留在最后Block的时候再去处理，这样也会减少后面Block阶段对于脏数据的处理的时间。
最后
代码真的是重质不重量，质量高的代码，是当前代码界提倡的，当然写出高质量的代码肯定需要一个相当高的专业素养，这需要在日常的代码书写中逐渐去吸收掌握，谁不是每天都在学习呀，目的还不是为了一个，为实现某个功能写出高质量的代码。
所以，长征路还长，大家还是好好地做个务实的程序员吧。
最后，小编这里有一系列Android提升学习资料，有兴趣的小伙伴们可以来看下哦~
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