Android ART 虚拟机简析

源码基于：Android U

1. prop

名称	选项名称	heap 变量名称	功能
dalvik.vm.heapstartsize	MemoryInitialSize	initial_heap_size_	虚拟机在启动时，向系统申请的起始内存
dalvik.vm.heapgrowthlimit	HeapGrowthLimit	growth_limit_	应用可使用的 max heap，超过这个值就会产生 OOM
dalvik.vm.heapsize	MemoryMaximumSize	capacity_	特殊应用的内存最大值，需要在应用manifest.xml 中设定： android:largeHeap="true" 此时，变量growth_limit_ 被重置为capacity_ 另外，对于CC 收集器RegionSpace 的内存是 capacity_ * 2
dalvik.vm.foreground-heap-growth-multiplier	ForegroundHeapGrowthMultiplier	foreground_heap_growth_multiplier_	low memry模式下，且没有定义该prop 时，该值为 1.0f 如果定义了该prop，最终在prop值的基础上 +1.0f
dalvik.vm.heapminfree	HeapMinFree	min_free_	单次堆内存调整的最小值，也是管理内存需要的最小空闲内存
dalvik.vm.heapmaxfree	HeapMaxFree	max_free_	单次堆内存调整的最大值，也是管理内存需要的最大空闲内存
dalvik.vm.heaptargetutilization	HeapTargetUtilization	target_utilization_	堆目标利用率

首先，对比 dalvik.vm.heapsize 和 dalvik.vm.heapgrowthlimit 两个属性，在 ActivityThread.java 中handleBindApplication() 函数中会根据 android:largeHeap 属性确定使用哪个值为 heap 最大值：

        if ((data.appInfo.flags&ApplicationInfo.FLAG_LARGE_HEAP) != 0) {dalvik.system.VMRuntime.getRuntime().clearGrowthLimit();} else {// Small heap, clamp to the current growth limit and let the heap release// pages after the growth limit to the non growth limit capacity. b/18387825dalvik.system.VMRuntime.getRuntime().clampGrowthLimit();}

后面四个值用来确保每次GC 之后，java 堆已经使用和空闲的内存有一个合适的比例，这样可以尽量地减少GC 的次数。

调整的方式按照如下的规则：

art/runtime/gc/heap.ccvoid Heap::GrowForUtilization(collector::GarbageCollector* collector_ran,size_t bytes_allocated_before_gc) {...if (gc_type != collector::kGcTypeSticky) {// Grow the heap for non sticky GC.uint64_t delta = bytes_allocated * (1.0 / GetTargetHeapUtilization() - 1.0);DCHECK_LE(delta, std::numeric_limits<size_t>::max()) << "bytes_allocated=" << bytes_allocated<< " target_utilization_=" << target_utilization_;grow_bytes = std::min(delta, static_cast<uint64_t>(max_free_));grow_bytes = std::max(grow_bytes, static_cast<uint64_t>(min_free_));target_size = bytes_allocated + static_cast<uint64_t>(grow_bytes * multiplier);next_gc_type_ = collector::kGcTypeSticky;}if (!ignore_target_footprint_) {SetIdealFootprint(target_size);...}

按照上面公式，假设 live_size=120M，target_utilization=0.75，max_free=8M，min_free=2M，那么：

delta =120M * (1/0.75 - 1)=40M

delta(40M) > max_free(8M)

target_size=120M + 8M = 128M，即堆的尺寸在此次 GC 之后调整到128M。

这个target_size 对应下文第 2.4 节中的 total_memory 值。对应的log 如下：

system_server: NativeAlloc concurrent copying GC freed 405107(20MB) AllocSpace objects, 238(4760KB) LOS objects, 33% free, 46MB/70MB, paused 83us,119us total 245.909mssystem_server: NativeAlloc concurrent copying GC freed 330013(15MB) AllocSpace objects, 67(1340KB) LOS objects, 33% free, 47MB/71MB, paused 94us,276us total 214.045mssystem_server: Background concurrent copying GC freed 302867(18MB) AllocSpace objects, 565(11MB) LOS objects, 32% free, 48MB/72MB, paused 588us,176us total 346.099mssystem_server: NativeAlloc concurrent copying GC freed 365830(18MB) AllocSpace objects, 254(5080KB) LOS objects, 33% free, 48MB/72MB, paused 143us,133us total 306.945mssystem_server: Background concurrent copying GC freed 235782(15MB) AllocSpace objects, 666(13MB) LOS objects, 33% free, 47MB/71MB, paused 83us,127us total 160.238ms

上面计算的 target_size 是下次申请内存时是否需要 GC 的一个重要指标，下面结合场景理解。

场景一：

target_size=128M，live_size=120M，如果此时需要分配一个1M 内存对象？

管理的内存最大为8M，当请求分配 1M 内存是，可用内存 8 - 1 = 7M > min_free，所以此次申请无需GC，也不用调整 target_size。

场景二：

target_size=128M，live_size=120M，如果此时需要分配一个7M 内存对象？

管理的内存最大为8M，当请求分配 7M 内存是，可用内存 8 - 7 = 1M < min_free，所以此次申请需要GC，且调整 target_size。

场景三：

target_size=128M，live_size=120M，如果此时需要分配一个10M 内存对象？

管理的内存最大为8M，当请求分配 10M 内存是，已经超过了 8M 空间，先GC 并调整target_size，再次请求分配，如果还是失败，将 target_size 调整为最大，再次请求分配，失败就再 GC一次软引用，再次请求，还是失败那就是OOM，成功后要调整 target_size。

所以，Android在申请内存的时候，可能先分配，也可能先GC，也可能不GC，这里面最关键的点就是内存利用率跟Free内存的上下限。

2. GC log

system_server: Background concurrent copying GC freed 82590(11MB) AllocSpace objects, 1139(22MB) LOS objects, 31% free, 52MB/76MB, paused 326us,284us total 302.779ms.mobile.service: Background young concurrent copying GC freed 185026(5214KB) AllocSpace objects, 60(7396KB) LOS objects, 59% free, 7072KB/17MB, paused 26.144ms,21us total 40.78

这里以 system_server 的 GC log 为例。

2.1 字段Background

这里展示是触发 GC 的原因，所有 GC 的原因都被记录在 gc_cause.h 中：

art/runtime/gc/gc_cause.henum GcCause {kGcCauseNone,kGcCauseForAlloc，kGcCauseBackground，kGcCauseExplicit，kGcCauseForNativeAlloc，...
}；

index	name	备注
kGcCauseNone	None	无效类型，用于占位
kGcCauseForAlloc	Alloc	分配失败时触发GC，分配会被block，直到GC 完成 通过new 分配新对象时，如果heap size 超过max，需要先GC
kGcCauseBackground	Background	后台GC 这里的“后台”并不是指应用切到后台才会执行的GC，而是GC在运行时基本不会影响其他线程的执行，所以也可以理解为并发GC。在每一次成功分配Java对象后，都会去检测是否需要进行下一次GC，这就是GcCauseBackground GC的触发时机。触发的条件需要满足一个判断，如果new_num_bytes_allocated(所有已分配的字节数，包括此次新分配的对象) >= concurrent_start_bytes_(下一次GC触发的阈值)，那么就请求一次新的GC。
kGcCauseExplicit	Explicit	显示调用 System.gc() 触发的 GC
kGcCauseForNativeAlloc	NativeAlloc	当native 分配，出现内存紧张时触发GC 需要确认 native + java 的权重是否超过了总的heap size

2.2 字段 concurrent

这里展示的是 GC 的收集器名称，代表不同 GC 算法。所有GC 收集器定义在 collector_type.h 中：

art/runtime/gc/collector_type.henum CollectorType {kCollectorTypeNone,kCollectorTypeMS,kCollectorTypeCMS,kCollectorTypeCMC,kCollectorTypeSS,kCollectorTypeHeapTrim,kCollectorTypeCC,...
};

index	收集器名称	功能
kCollectorTypeMS	mark sweep	标记清除算法由标记阶段和清除阶段构成。 mark 阶段是把所有活动对象都做上标记，sweep 阶段是把那些没有标记的对象也就是非活动的对象进行回收的过程。通过这两个阶段，可以使用不用利用的内存空间重新得到利用。
kCollectorTypeCMS	concurrent mark sweep	并发的MS
kCollectorTypeCMC	concurrent mark compact	标记整理算法是将标记清除算法和复制算法相结合的产物。标记整理算法由标记阶段和压缩阶段构成。 mark 阶段是把所有活动对象都做上标记，compact 阶段通过数次搜索堆来重新装填活动对象。因 compact 而产生的优点是不用牺牲半个堆。
kCollectorTypeSS	semispace	综合了semi-space和mark-sweep，同时还支持compact
kCollectorTypeCC	concurrent copying	是对mark sweep 而导致内存碎片化的一个解决方案。 算法利用From 空间进行分配。当From 空间被完全占满时，GC 会将活动对象全部复制到To 空间。当复制完成后，该算法会把From 空间和To 空间互换，GC 也就结束了。From 空间和To 空间大小必须一致。这是为了保证能把From 空间中的所有活动对象都收纳到To 空间里。

2.3 GC freed 字段

GC freed 会统计两个数据：

• AllocSpace objects，这里展示的是此次 GC 回收的非 LOS 的字节数；

• LOS objects，这里展示的是此次 GC 回收的 LOS 的字节数；

2.4 31% free, 52MB/76MB 字段

这里展示当前进程在此次 GC 之后的内存情况。

这里记录已经分配的总内存(记作 current_heap_size) 和已经分配内存的最大值 (记作 total_memory，这个值不会超过最大值)。

52 M 就是 current_heap_size，76M 就是total_memory。

free 百分比 = (total_memory - current_heap_size) / total_memory

2.5 paused 字段

这里展示当前进程在此次GC 中应用挂起的时间以及次数。

每次挂起的时间都会打印出来，中间用逗号分隔。

2.6 total 字段

这里展示当前进程在此次 GC 中完成所需要的时间，其中包括 paused 时间。

2.7 源码

源码于 art/runtime/gc/heap.cc

 art/runtime/gc/heap.ccvoid Heap::LogGC(GcCause gc_cause, collector::GarbageCollector* collector) {...LOG(INFO) << gc_cause << " " << collector->GetName()<< (is_sampled ? " (sampled)" : "")<< " GC freed "  << current_gc_iteration_.GetFreedObjects() << "("<< PrettySize(current_gc_iteration_.GetFreedBytes()) << ") AllocSpace objects, "<< current_gc_iteration_.GetFreedLargeObjects() << "("<< PrettySize(current_gc_iteration_.GetFreedLargeObjectBytes()) << ") LOS objects, "<< percent_free << "% free, " << PrettySize(current_heap_size) << "/"<< PrettySize(total_memory) << ", " << "paused " << pause_string.str()<< " total " << PrettyDuration((duration / 1000) * 1000);...
}

3. 收集机制简介

Heap 类提供了三种GC 接口：

• CollectGarbage()，用来执行显示GC，例如 system.gc() 接口；

• ConcurrentGC()，用来执行并行GC，只能被 ART 运行时内部的GC 守护线程调用；

• CollectGarbageInternal()，ART运行时内部调用的GC 接口，可以执行各种类型的GC；

ART runtime 将空间划分：Image Space、Malloc Space、Zygote Space、Bump Pointer Space、Region Space、Large Object Space。

art/runtime/gc/space/space.henum SpaceType {kSpaceTypeImageSpace,kSpaceTypeMallocSpace,kSpaceTypeZygoteSpace,kSpaceTypeBumpPointerSpace,kSpaceTypeLargeObjectSpace,kSpaceTypeRegionSpace,
};

其中前面都是在地址空间上连续的，即 Continuous Space，而 Large Object Space 是一些离散地址的集合，用来分配一些大对象，称为Discontinuous Space。

原先Davlik虚拟机使用的是传统的 dlmalloc 内存分配器进行内存分配。这个内存分配器是Linux上很常用的，但是它没有为多线程环境做过优化，因此Google为ART虚拟机开发了一个新的内存分配器：RoSalloc，它的全称是Rows of Slots allocator。RoSalloc相较于dlmalloc来说，在多线程环境下有更好的支持：在dlmalloc中，分配内存时使用了全局的内存锁，这就很容易造成性能不佳。而在RoSalloc中，允许在线程本地区域存储小对象，这就是避免了全局锁的等待时间。ART虚拟机中，这两种内存分配器都有使用。

Heap 类的 Heap::AllocObject是为对象分配内存的入口，如下：

art/runtime/gc/heap.htemplate <bool kInstrumented = true, typename PreFenceVisitor>mirror::Object* AllocObject(Thread* self,ObjPtr<mirror::Class> klass,size_t num_bytes,const PreFenceVisitor& pre_fence_visitor)REQUIRES_SHARED(Locks::mutator_lock_)REQUIRES(!*gc_complete_lock_,!*pending_task_lock_,!*backtrace_lock_,!process_state_update_lock_,!Roles::uninterruptible_) {//AllocObjectWithAllocator() 实现在 heap-inl.h 中return AllocObjectWithAllocator<kInstrumented>(self,klass,num_bytes,GetCurrentAllocator(),pre_fence_visitor);}

会首先通过 Heap::TryToAllocate尝试进行内存的分配。在 Heap::TryToAllocate方法，会根据AllocatorType，选择不同的Space进行内存的分配。在 Heap::TryToAllocate 方法失败时，会调用 Heap::AllocateInternalWithGc 进行 GC，然后在尝试内存的分配。

参考：

https://developer.aliyun.com/article/652546#slide-5