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前言

想寫一篇關(guān)于android GC的想法來源于追查一個魅族手機圖片滑動卡頓問題，由于不斷的GC導致的丟幀卡頓的問題讓我們想了很多方案去解決，所以就打算詳細的看看內(nèi)存分配和GC的原理，為什么會不斷的GC，GC ALLOC和GC COCURRENT有什么區(qū)別，能不能想辦法擴大堆內(nèi)存減少GC的頻次等等。

1、JVM內(nèi)存回收機制

1.1 回收算法

標記回收算法(Mark and Sweep GC)

從”GC Roots”集合開始，將內(nèi)存整個遍歷一次，保留所有可以被GC Roots直接或間接引用到的對象，而剩下的對象都當作垃圾對待并回收，這個算法需要中斷進程內(nèi)其它組件的執(zhí)行并且可能產(chǎn)生內(nèi)存碎片

復制算法 (Copying)

將現(xiàn)有的內(nèi)存空間分為兩快，每次只使用其中一塊，在垃圾回收時將正在使用的內(nèi)存中的存活對象復制到未被使用的內(nèi)存塊中，之后，清除正在使用的內(nèi)存塊中的所有對象，交換兩個內(nèi)存的角色，完成垃圾回收。

標記-壓縮算法 (Mark-Compact)

先需要從根節(jié)點開始對所有可達對象做一次標記，但之后，它并不簡單地清理未標記的對象，而是將所有的存活對象壓縮到內(nèi)存的一端。之后，清理邊界外所有的空間。這種方法既避免了碎片的產(chǎn)生，又不需要兩塊相同的內(nèi)存空間，因此，其性價比比較高。

分代

將所有的新建對象都放入稱為年輕代的內(nèi)存區(qū)域，年輕代的特點是對象會很快回收，因此，在年輕代就選擇效率較高的復制算法。當一個對象經(jīng)過幾次回收后依然存活，對象就會被放入稱為老生代的內(nèi)存空間。對于新生代適用于復制算法，而對于老年代則采取標記-壓縮算法。

1.2 復制和標記-壓縮算法的區(qū)別

乍一看這兩個算法似乎并沒有多大的區(qū)別，都是標記了然后挪到另外的內(nèi)存地址進行回收，那為什么不同的分代要使用不同的回收算法呢?

其實2者***的區(qū)別在于前者是用空間換時間后者則是用時間換空間。

前者的在工作的時候是不沒有獨立的“mark”與“copy”階段的，而是合在一起做一個動作，就叫scavenge(或evacuate，或者就叫copy)。也就是說，每發(fā)現(xiàn)一個這次收集中尚未訪問過的活對象就直接copy到新地方，同時設置forwarding pointer。這樣的工作方式就需要多一份空間。

后者在工作的時候則需要分別的mark與compact階段，mark階段用來發(fā)現(xiàn)并標記所有活的對象，然后compact階段才移動對象來達到compact的目的。如果compact方式是sliding compaction，則在mark之后就可以按順序一個個對象“滑動”到空間的某一側(cè)。因為已經(jīng)先遍歷了整個空間里的對象圖，知道所有的活對象了，所以移動的時候就可以在同一個空間內(nèi)而不需要多一份空間。

所以新生代的回收會更快一點，老年代的回收則會需要更長時間，同時壓縮階段是會暫停應用的，所以給我們應該盡量避免對象出現(xiàn)在老年代。

2、Dalvik虛擬機

2.1 java堆

Java堆實際上是由一個Active堆和一個Zygote堆組成的，其中，Zygote堆用來管理Zygote進程在啟動過程中預加載和創(chuàng)建的各種對象，而Active堆是在Zygote進程fork***個子進程之前創(chuàng)建的。以后啟動的所有應用程序進程是被Zygote進程fork出來的，并都持有一個自己的Dalvik虛擬機。在創(chuàng)建應用程序的過程中，Dalvik虛擬機采用COW策略復制Zygote進程的地址空間。

COW策略：一開始的時候(未復制Zygote進程的地址空間的時候)，應用程序進程和Zygote進程共享了同一個用來分配對象的堆。當Zygote進程或者應用程序進程對該堆進行寫操作時，內(nèi)核就會執(zhí)行真正的拷貝操作，使得Zygote進程和應用程序進程分別擁有自己的一份拷貝，這就是所謂的COW。因為copy是十分耗時的，所以必須盡量避免copy或者盡量少的copy。

為了實現(xiàn)這個目的，當創(chuàng)建***個應用程序進程時，會將已經(jīng)使用了的那部分堆內(nèi)存劃分為一部分，還沒有使用的堆內(nèi)存劃分為另外一部分。前者就稱為Zygote堆，后者就稱為Active堆。這樣只需把zygote堆中的內(nèi)容復制給應用程序進程就可以了。以后無論是Zygote進程，還是應用程序進程，當它們需要分配對象的時候，都在Active堆上進行。這樣就可以使得Zygote堆盡可能少地被執(zhí)行寫操作，因而就可以減少執(zhí)行寫時拷貝的操作。在Zygote堆里面分配的對象其實主要就是Zygote進程在啟動過程中預加載的類、資源和對象了。這意味著這些預加載的類、資源和對象可以在Zygote進程和應用程序進程中做到長期共享。這樣既能減少拷貝操作，還能減少對內(nèi)存的需求。

2.2 和GC有關(guān)的一些指標

記得我們之前在優(yōu)化魅族某手機的gc卡頓問題時，發(fā)現(xiàn)他很容易觸發(fā)GC_FOR_MALLOC，這個GC類別后續(xù)會說到，是分配對象內(nèi)存不足時導致的?？墒俏覀冇衷O置了很大的堆Size為什么還會內(nèi)存不夠呢，這里需要了解以下幾個概念：分別是Java堆的起始大小(Starting Size)、***值(Maximum Size)和增長上限值(Growth Limit)。

在啟動Dalvik虛擬機的時候，我們可以分別通過-Xms、-Xmx和-XX:HeapGrowthLimit三個選項來指定上述三個值，以上三個值分別表示表示

• Starting Size： Dalvik虛擬機啟動的時候，會先分配一塊初始的堆內(nèi)存給虛擬機使用。
• Growth Limit：是系統(tǒng)給每一個程序的***堆上限,超過這個上限，程序就會OOM
• Maximum Size：不受控情況下的***堆內(nèi)存大小，起始就是我們在用largeheap屬性的時候，可以從系統(tǒng)獲取的***堆大小

同時除了上面的這個三個指標外，還有幾個指標也是值得我們關(guān)注的，那就是堆最小空閑值(Min Free)、堆***空閑值(Max Free)和堆目標利用率(Target Utilization)。假設在某一次GC之后，存活對象占用內(nèi)存的大小為LiveSize，那么這時候堆的理想大小應該為(LiveSize / U)。但是(LiveSize / U)必須大于等于(LiveSize + MinFree)并且小于等于(LiveSize + MaxFree)，每次GC后垃圾回收器都會盡量讓堆的利用率往目標利用率靠攏。所以當我們嘗試手動去生成一些幾百K的對象，試圖去擴大可用堆大小的時候，反而會導致頻繁的GC，因為這些對象的分配會導致GC，而GC后會讓堆內(nèi)存回到合適的比例，而我們使用的局部變量很快會被回收理論上存活對象還是那么多，我們的堆大小也會縮減回來無法達到擴充的目的。 與此同時這也是產(chǎn)生CONCURRENT GC的一個因素，后文我們會詳細講到。

2.3 GC的類型

• GC_FOR_MALLOC: 表示是在堆上分配對象時內(nèi)存不足觸發(fā)的GC。
• GC_CONCURRENT: 當我們應用程序的堆內(nèi)存達到一定量，或者可以理解為快要滿的時候，系統(tǒng)會自動觸發(fā)GC操作來釋放內(nèi)存。
• GC_EXPLICIT: 表示是應用程序調(diào)用System.gc、VMRuntime.gc接口或者收到SIGUSR1信號時觸發(fā)的GC。
• GC_BEFORE_OOM: 表示是在準備拋OOM異常之前進行的***努力而觸發(fā)的GC。

實際上，GC_FOR_MALLOC、GC_CONCURRENT和GC_BEFORE_OOM三種類型的GC都是在分配對象的過程觸發(fā)的。而并發(fā)和非并發(fā)GC的區(qū)別主要在于前者在GC過程中，有條件地掛起和喚醒非GC線程，而后者在執(zhí)行GC的過程中，一直都是掛起非GC線程的。并行GC通過有條件地掛起和喚醒非GC線程，就可以使得應用程序獲得更好的響應性。但是同時并行GC需要多執(zhí)行一次標記根集對象以及遞歸標記那些在GC過程被訪問了的對象的操作，所以也需要花費更多的CPU資源。后文在Art的并發(fā)和非并發(fā)GC中我們也會著重說明下這兩者的區(qū)別。

2.4 對象的分配和GC觸發(fā)時機

1. 調(diào)用函數(shù)dvmHeapSourceAlloc在Java堆上分配指定大小的內(nèi)存。如果分配成功，那么就將分配得到的地址直接返回給調(diào)用者了。函數(shù)dvmHeapSourceAlloc在不改變Java堆當前大小的前提下進行內(nèi)存分配，這是屬于輕量級的內(nèi)存分配動作。
2. 如果上一步內(nèi)存分配失敗，這時候就需要執(zhí)行一次GC了。不過如果GC線程已經(jīng)在運行中，即gDvm.gcHeap->gcRunning的值等于true，那么就直接調(diào)用函數(shù)dvmWaitForConcurrentGcToComplete等到GC執(zhí)行完成就是了。否則的話，就需要調(diào)用函數(shù)gcForMalloc來執(zhí)行一次GC了，參數(shù)false表示不要回收軟引用對象引用的對象。
3. GC執(zhí)行完畢后，再次調(diào)用函數(shù)dvmHeapSourceAlloc嘗試輕量級的內(nèi)存分配操作。如果分配成功，那么就將分配得到的地址直接返回給調(diào)用者了。
4. 如果上一步內(nèi)存分配失敗，這時候就得考慮先將Java堆的當前大小設置為Dalvik虛擬機啟動時指定的Java堆***值，再進行內(nèi)存分配了。這是通過調(diào)用函數(shù)dvmHeapSourceAllocAndGrow來實現(xiàn)的。
5. 如果調(diào)用函數(shù)dvmHeapSourceAllocAndGrow分配內(nèi)存成功，則直接將分配得到的地址直接返回給調(diào)用者了。
6. 如果上一步內(nèi)存分配還是失敗，這時候就得出狠招了。再次調(diào)用函數(shù)gcForMalloc來執(zhí)行GC。參數(shù)true表示要回收軟引用對象引用的對象。
7. GC執(zhí)行完畢，再次調(diào)用函數(shù)dvmHeapSourceAllocAndGrow進行內(nèi)存分配。這是***一次努力了，成功與事都到此為止。

示例圖如下：

通過這個流程可以看到，在對象的分配中會導致GC，***次分配對象失敗我們會觸發(fā)GC但是不回收Soft的引用，如果再次分配還是失敗我們就會將Soft的內(nèi)存也給回收，前者觸發(fā)的GC是GC_FOR_MALLOC類型的GC，后者是GC_BEFORE_OOM類型的GC。而當內(nèi)存分配成功后，我們會判斷當前的內(nèi)存占用是否是達到了GC_CONCURRENT的閥值，如果達到了那么又會觸發(fā)GC_CONCURRENT。

那么這個閥值又是如何來的呢，上面我們說到的一個目標利用率，GC后我們會記錄一個目標值，這個值理論上需要再上述的范圍之內(nèi)，如果不在我們會選取邊界值做為目標值。虛擬機會記錄這個目標值，當做當前允許總的可以分配到的內(nèi)存。同時根據(jù)目標值減去固定值(200~500K),當做觸發(fā)GC_CONCURRENT事件的閾值。

2.5 回收算法和內(nèi)存碎片

主流的大部分Davik采取的都是標注與清理(Mark and Sweep)回收算法，也有實現(xiàn)了拷貝GC的，這一點和HotSpot是不一樣的，具體使用什么算法是在編譯期決定的，無法在運行的時候動態(tài)更換。如果在編譯dalvik虛擬機的命令中指明了”WITH_COPYING_GC”選項，則編譯”/dalvik/vm/alloc/Copying.cpp”源碼 – 此是Android中拷貝GC算法的實現(xiàn)，否則編譯”/dalvik/vm/alloc/HeapSource.cpp” – 其實現(xiàn)了標注與清理GC算法。

由于Mark and Sweep算法的缺點，容易導致內(nèi)存碎片，所以在這個算法下，當我們有大量不連續(xù)小內(nèi)存的時候，再分配一個較大對象時，還是會非常容易導致GC，比如我們在該手機上decode圖片，具體情況如下：

所以對于Dalvik虛擬機的手機來說，我們首先要盡量避免掉頻繁生成很多臨時小變量(比如說：getView，onDraw等函數(shù))，另一個又要盡量去避免產(chǎn)生很多長生命周期的大對象。

3、ART內(nèi)存回收機制

3.1 Java堆

ART運行時內(nèi)部使用的Java堆的主要組成包括Image Space、Zygote Space、Allocation Space和Large Object Space四個Space，Image Space用來存在一些預加載的類， Zygote Space和Allocation Space與Dalvik虛擬機垃圾收集機制中的Zygote堆和Active堆的作用是一樣的，

Large Object Space就是一些離散地址的集合，用來分配一些大對象從而提高了GC的管理效率和整體性能，類似如下圖：

在下文的GC Log中，我們也能看到在art的GC Log中包含了LOS的信息，方便我們查看大內(nèi)存的情況。

3.2 GC的類型

• kGcCauseForAlloc ，當要分配內(nèi)存的時候發(fā)現(xiàn)內(nèi)存不夠的情況下引起的GC，這種情況下的GC會stop world
• kGcCauseBackground，當內(nèi)存達到一定的閥值的時候會去出發(fā)GC，這個時候是一個后臺gc，不會引起stop world
• kGcCauseExplicit，顯示調(diào)用的時候進行的gc，如果art打開了這個選項的情況下，在system.gc的時候會進行g(shù)c
• 其他更多

3.3 對象的分配和GC觸發(fā)時機

由于Art下內(nèi)存分配和Dalvik下基本沒有任何區(qū)別，我直接貼圖帶過了。

3.4 并發(fā)和非并發(fā)GC

Art在GC上不像Dalvik僅有一種回收算法，Art在不同的情況下會選擇不同的回收算法，比如Alloc內(nèi)存不夠的時候會采用非并發(fā)GC，而在Alloc后發(fā)現(xiàn)內(nèi)存達到一定閥值的時候又會觸發(fā)并發(fā)GC。同時在前后臺的情況下GC策略也不盡相同，后面我們會一一給大家說明。

非并發(fā)GC

步驟1. 調(diào)用子類實現(xiàn)的成員函數(shù)InitializePhase執(zhí)行GC初始化階段。

步驟2. 掛起所有的ART運行時線程。

步驟3. 調(diào)用子類實現(xiàn)的成員函數(shù)MarkingPhase執(zhí)行GC標記階段。

步驟4. 調(diào)用子類實現(xiàn)的成員函數(shù)ReclaimPhase執(zhí)行GC回收階段。

步驟5. 恢復第2步掛起的ART運行時線程。

步驟6. 調(diào)用子類實現(xiàn)的成員函數(shù)FinishPhase執(zhí)行GC結(jié)束階段。

并發(fā)GC

步驟1. 調(diào)用子類實現(xiàn)的成員函數(shù)InitializePhase執(zhí)行GC初始化階段。

步驟2. 獲取用于訪問Java堆的鎖。

步驟3. 調(diào)用子類實現(xiàn)的成員函數(shù)MarkingPhase執(zhí)行GC并行標記階段。

步驟4. 釋放用于訪問Java堆的鎖。

步驟5. 掛起所有的ART運行時線程。

步驟6. 調(diào)用子類實現(xiàn)的成員函數(shù)HandleDirtyObjectsPhase處理在GC并行標記階段被修改的對象。。

步驟7. 恢復第4步掛起的ART運行時線程。

步驟8. 重復第5到第7步，直到所有在GC并行階段被修改的對象都處理完成。

步驟9. 獲取用于訪問Java堆的鎖。

步驟10. 調(diào)用子類實現(xiàn)的成員函數(shù)ReclaimPhase執(zhí)行GC回收階段。

步驟11. 釋放用于訪問Java堆的鎖。

步驟12. 調(diào)用子類實現(xiàn)的成員函數(shù)FinishPhase執(zhí)行GC結(jié)束階段。

所以不論是并發(fā)還是非并發(fā)，都會引起stopworld的情況出現(xiàn)，并發(fā)的情況下單次stopworld的時間會更短，基本區(qū)別和。

3.***rt并發(fā)和Dalvik并發(fā)GC的差異

首先可以通過如下2張圖來對比下

Dalvik GC： 

Art GC：  

Art的并發(fā)GC和Dalvik的并發(fā)GC有什么區(qū)別呢，初看好像2者差不多，雖然沒有一直掛起線程，但是也會有暫停線程去執(zhí)行標記對象的流程。通過閱讀相關(guān)文檔可以了解到Art并發(fā)GC對于Dalvik來說主要有三個優(yōu)勢點：

      1. 標記自身

 Art在對象分配時會將新分配的對象壓入到Heap類的成員變量allocationstack描述的Allocation Stack中去，從而可以一定程度縮減對象遍歷范圍。

      2. 預讀取

 對于標記Allocation Stack的內(nèi)存時，會預讀取接下來要遍歷的對象，同時再取出來該對象后又會將該對象引用的其他對象壓入棧中，直至遍歷完畢。

      3. 減少Pause時間

在Mark階段是不會Block其他線程的，這個階段會有臟數(shù)據(jù)，比如Mark發(fā)現(xiàn)不會使用的但是這個時候又被其他線程使用的數(shù)據(jù)，在Mark階段也會處理一些臟數(shù)據(jù)而不是留在***Block的時候再去處理，這樣也會減少后面Block階段對于臟數(shù)據(jù)的處理的時間。

3.6 前后臺GC

前臺Foreground指的就是應用程序在前臺運行時，而后臺Background就是應用程序在后臺運行時。因此，F(xiàn)oreground GC就是應用程序在前臺運行時執(zhí)行的GC，而Background就是應用程序在后臺運行時執(zhí)行的GC。

應用程序在前臺運行時，響應性是最重要的，因此也要求執(zhí)行的GC是高效的。相反，應用程序在后臺運行時，響應性不是最重要的，這時候就適合用來解決堆的內(nèi)存碎片問題。因此，Mark-Sweep GC適合作為Foreground GC，而Mark-Compact GC適合作為Background GC。

由于有Compact的能力存在，碎片化在Art上可以很好的被避免，這個也是Art一個很好的能力。

3.7 Art大法好

總的來看，art在gc上做的比dalvik好太多了，不光是gc的效率，減少pause時間，而且還在內(nèi)存分配上對大內(nèi)存的有單獨的分配區(qū)域，同時還能有算法在后臺做內(nèi)存整理，減少內(nèi)存碎片。對于開發(fā)者來說art下我們基本可以避免很多類似gc導致的卡頓問題了。另外根據(jù)谷歌自己的數(shù)據(jù)來看，Art相對Dalvik內(nèi)存分配的效率提高了10倍，GC的效率提高了2-3倍。

4、GC Log

當我們想要根據(jù)GC日志來追查一些GC可能造成的卡頓時，我們需要了解GC日志的組成，不同信息代表了什么含義。

4.1 Dalvik GC日志

dalvik的日志格式基本如下：

D/dalvikvm: <GC_Reason> <Amount_freed>, <Heap_stats>, <Pause_time>, <Total_time> 

• gc_reason：就是我們上文提到的，是gc_alloc還是gc_concurrent，了解到不同的原因方便我們做不同的處理。
• amount_freed：表示系統(tǒng)通過這次GC操作釋放了多少內(nèi)存
• Heap_stats：中會顯示當前內(nèi)存的空閑比例以及使用情況(活動對象所占內(nèi)存 / 當前程序總內(nèi)存)
• Pause_time：表示這次GC操作導致應用程序暫停的時間。關(guān)于這個暫停的時間，在2.3之前GC操作是不能并發(fā)進行的，也就是系統(tǒng)正在進行GC，那么應用程序就只能阻塞住等待GC結(jié)束。而自2.3之后，GC操作改成了并發(fā)的方式進行，就是說GC的過程中不會影響到應用程序的正常運行，但是在GC操作的開始和結(jié)束的時候會短暫阻塞一段時間，所以還有后續(xù)的一個total_time。
• Total_time : 表示本次GC所花費的總時間和上面的Pause_time,也就是stop all是不一樣的，卡頓時間主要看上面的pause_time。

4.2 Art GC日志

I/art: <GC_Reason> <Amount_freed>, <LOS_Space_Status>, <Heap_stats>, <Pause_time>, <Total_time> 

基本情況和Dalvik沒有什么差別，GC的Reason更多了，還多了一個OS_Space_Status

• LOS_Space_Status：Large Object Space，大對象占用的空間，這部分內(nèi)存并不是分配在堆上的，但仍屬于應用程序內(nèi)存空間，主要用來管理 bitmap 等占內(nèi)存大的對象，避免因分配大內(nèi)存導致堆頻繁 GC。

寫在***：圖片來源自網(wǎng)絡，特別鳴謝老羅。