ART运行时垃圾收集（GC）过程分析

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  ART运行时与Dalvik虚拟机一样，都使用了Mark-Sweep算法进行垃圾回收，因此它们的垃圾回收流程在总体上是一致的。但是ART运行时对堆的划分更加细致，因而在此基础上实现了更多样的回收策略。不同的策略有不同的回收力度，力度越大的回收策略，每次回收的内存就越多，并且它们都有各自的使用情景。这样就可以使得每次执行GC时，可以最大限度地减少应用程序停顿。本文就详细分析ART运行时的垃圾收集过程。

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        ART运行时的垃圾收集收集过程如图1所示：

图1 ART运行时的GC执行流程

        图1的最上面三个箭头描述触发GC的三种情况，左边的流程图描述非并行GC的执行过程，右边的流程图描述并行GC的执行流程，接下来我们就详细图中涉及到的所有细节。

        在前面ART运行时为新创建对象分配内存的过程分析一文中，我们提到了两种可能会触发GC的情况。第一种情况是没有足够内存分配请求的分存时，会调用Heap类的成员函数CollectGarbageInternal触发一个原因为kGcCauseForAlloc的GC。第二种情况下分配出请求的内存之后，堆剩下的内存超过一定的阀值，就会调用Heap类的成员函数RequestConcurrentGC请求执行一个并行GC。

        Heap类的成员函数RequestConcurrentGC的实现如下所示：

void Heap::RequestConcurrentGC(Thread* self) {
  // Make sure that we can do a concurrent GC.
  Runtime* runtime = Runtime::Current();
  DCHECK(concurrent_gc_);
  if (runtime == NULL || !runtime->IsFinishedStarting() ||
      !runtime->IsConcurrentGcEnabled()) {
    return;
  }
  {
    MutexLock mu(self, *Locks::runtime_shutdown_lock_);
    if (runtime->IsShuttingDown()) {
      return;
    }
  }
  if (self->IsHandlingStackOverflow()) {
    return;
  }

  // We already have a request pending, no reason to start more until we update
  // concurrent_start_bytes_.
  concurrent_start_bytes_ = std::numeric_limits<size_t>::max();

  JNIEnv* env = self->GetJniEnv();
  DCHECK(WellKnownClasses::java_lang_Daemons != NULL);
  DCHECK(WellKnownClasses::java_lang_Daemons_requestGC != NULL);
  env->CallStaticVoidMethod(WellKnownClasses::java_lang_Daemons,
                            WellKnownClasses::java_lang_Daemons_requestGC);
  CHECK(!env->ExceptionCheck());
}

       这个函数定义在文件art/runtime/gc/heap.cc。

       只有满足以下四个条件，Heap类的成员函数RequestConcurrentGC才会触发一个并行GC：

       1. ART运行时已经启动完毕。

       2. ART运行时支持并行GC。ART运行时默认是支持并行GC的，但是可以通过启动选项-Xgc来关闭。

       3. ART运行时不是正在关闭。

       4. 当前线程没有发生栈溢出。

       上述4个条件都满足之后，Heap类的成员函数RequestConcurrentGC就将成员变量concurrent_start_bytes_的值设置为类型size_t的最大值，表示目前正有一个并行GC在等待执行，以阻止触发另外一个并行GC。

       最后，Heap类的成员函数RequestConcurrentGC调用Java层的java.lang.Daemons类的静态成员函数requestGC请求执行一次并行GC。Java层的java.lang.Daemons类在加载的时候，会启动五个与堆或者GC相关的守护线程，如下所示：

public final class Daemons {
    ......

    public static void start() {
        ReferenceQueueDaemon.INSTANCE.start();
        FinalizerDaemon.INSTANCE.start();
        FinalizerWatchdogDaemon.INSTANCE.start();
        HeapTrimmerDaemon.INSTANCE.start();
        GCDaemon.INSTANCE.start();
    }

    ......
}

       这个类定义在文件libcore/libart/src/main/java/java/lang/Daemons.java中。

       这五个守护线程分别是：

       1. ReferenceQueueDaemon：引用队列守护线程。我们知道，在创建引用对象的时候，可以关联一个队列。当被引用对象引用的对象被GC回收的时候，被引用对象就会被加入到其创建时关联的队列去。这个加入队列的操作就是由ReferenceQueueDaemon守护线程来完成的。这样应用程序就可以知道那些被引用对象引用的对象已经被回收了。

       2. FinalizerDaemon：析构守护线程。对于重写了成员函数finalize的对象，它们被GC决定回收时，并没有马上被回收，而是被放入到一个队列中，等待FinalizerDaemon守护线程去调用它们的成员函数finalize，然后再被回收。

       3. FinalizerWatchdogDaemon：析构监护守护线程。用来监控FinalizerDaemon线程的执行。一旦检测那些重定了成员函数finalize的对象在执行成员函数finalize时超出一定的时候，那么就会退出VM。

       4. HeapTrimmerDaemon：堆裁剪守护线程。用来执行裁剪堆的操作，也就是用来将那些空闲的堆内存归还给系统。

       5. GCDaemon：并行GC线程。用来执行并行GC。

       Java层的java.lang.Daemons类的静态成员函数requestGC被调用时，就会唤醒上述的并行GC线程，然后这个并行GC线程就会通过JNI调用Heap类的成员函数ConcurrentGC，它的实现如下所示：

void Heap::ConcurrentGC(Thread* self) {
  {
    MutexLock mu(self, *Locks::runtime_shutdown_lock_);
    if (Runtime::Current()->IsShuttingDown()) {
      return;
    }
  }

  // Wait for any GCs currently running to finish.
  if (WaitForConcurrentGcToComplete(self) == collector::kGcTypeNone) {
    CollectGarbageInternal(next_gc_type_, kGcCauseBackground, false);
  }
}

        这个函数定义在文件art/runtime/gc/heap.cc中。

        只要ART运行时当前不是处于正在关闭的状态，那么Heap类的成员函数ConcurrentGC就会检查当前是否正在执行GC。如果是的话，那么就等待它执行完成，然后再调用Heap类的成员函数CollectGarbageInternal触发一个原因为kGcCauseBackground的GC。否则的话，就直接调用Heap类的成员函数CollectGarbageInternal触发一个原因为kGcCauseBackground的GC。

        从这里就可以看到，无论是触发GC的原因是kGcCauseForAlloc，还是kGcCauseBackground，最终都是通过调用Heap类的成员函数CollectGarbageInternal来执行GC的。此外，还有第三种情况会触发GC，如下所示：

void Heap::CollectGarbage(bool clear_soft_references) {
  // Even if we waited for a GC we still need to do another GC since weaks allocated during the
  // last GC will not have necessarily been cleared.
  Thread* self = Thread::Current();
  WaitForConcurrentGcToComplete(self);
  CollectGarbageInternal(collector::kGcTypeFull, kGcCauseExplicit, clear_soft_references);
}

        这个函数定义在文件art/runtime/gc/heap.cc。

        当我们调用Java层的java.lang.System的静态成员函数gc时，如果ART运行时支持显式GC，那么就它就会通过JNI调用Heap类的成员函数CollectGarbageInternal来触发一个原因为kGcCauseExplicit的GC。ART运行时默认是支持显式GC的，但是可以通过启动选项-XX:+DisableExplicitGC来关闭。

        从上面的分析就可以看出，ART运行时在三种情况下会触发GC，这三种情况通过三个枚举kGcCauseForAlloc、kGcCauseBackground和kGcCauseExplicitk来描述。这三人枚举的定义如下所示：

// What caused the GC?
enum GcCause {
  // GC triggered by a failed allocation. Thread doing allocation is blocked waiting for GC before
  // retrying allocation.
  kGcCauseForAlloc,
  // A background GC trying to ensure there is free memory ahead of allocations.
  kGcCauseBackground,
  // An explicit System.gc() call.
  kGcCauseExplicit,
};

       这三个枚举定义在文件art/runtime/gc/heap.h中。

       从上面的分析还可以看出，ART运行时的所有GC都是以Heap类的成员函数CollectGarbageInternal为入口，它的实现如下所示：

collector::GcType Heap::CollectGarbageInternal(collector::GcType gc_type, GcCause gc_cause,
                                               bool clear_soft_references) {
  Thread* self = Thread::Current();
  ......

  // Ensure there is only one GC at a time.
  bool start_collect = false;
  while (!start_collect) {
    {
      MutexLock mu(self, *gc_complete_lock_);
      if (!is_gc_running_) {
        is_gc_running_ = true;
        start_collect = true;
      }
    }
    if (!start_collect) {
      // TODO: timinglog this.
      WaitForConcurrentGcToComplete(self);
      ......
    }
  }

  ......

  if (gc_type == collector::kGcTypeSticky &&
      alloc_space_->Size() < min_alloc_space_size_for_sticky_gc_) {
    gc_type = collector::kGcTypePartial;
  }

  ......

  collector::MarkSweep* collector = NULL;
  for (const auto& cur_collector : mark_sweep_collectors_) {
    if (cur_collector->IsConcurrent() == concurrent_gc_ && cur_collector->GetGcType() == gc_type) {
      collector = cur_collector;
      break;
    }
  }
  ......

  collector->clear_soft_references_ = clear_soft_references;
  collector->Run();
  ......

  {
      MutexLock mu(self, *gc_complete_lock_);
      is_gc_running_ = false;
      last_gc_type_ = gc_type;
      // Wake anyone who may have been waiting for the GC to complete.
      gc_complete_cond_->Broadcast(self);
  }

  ......

  return gc_type;
}

        这个函数定义在文件art/runtime/gc/heap.cc。

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$$\Gamma (z)={\int }_0^{\infty }{t}^{z-1}{e}^{-t}dt.$$

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gantt
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        计划一               :         des3, after des2, 5d
        计划二               :         des4, after des3, 5d

• 关于 甘特图 语法，参考 这儿,

UML 图表

可以使用UML图表进行渲染。 Mermaid. 例如下面产生的一个序列图：:

张三 李四 王五 你好！李四, 最近怎么样? 你最近怎么样，王五？ 我很好，谢谢! 我很好，谢谢! 李四想了很长时间, 文字太长了 不适合放在一行. 打量着王五... 很好... 王五, 你怎么样? 张三 李四 王五

这将产生一个流程图。:

链接

长方形

圆

圆角长方形

菱形

• 关于 Mermaid 语法，参考 这儿,

FLowchart流程图

我们依旧会支持flowchart的流程图：

• 关于 Flowchart流程图 语法，参考 这儿.

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1. mermaid语法说明 ↩︎

2. 注脚的解释 ↩︎