Android 5.0 ART GC 对比 Android 4.x Dalvik GC

为了研究 Android 虚拟机中的内存管理机制，前期进行了初步调研，下面列出 Android 5.0 ART 中 GC 的更新概要以供参考，资料来源于网络以及对源码的初步阅读。

谷歌在 2014 年 6 月 26 日的 I/O 2014 开发者大会上正式推出了 Android L,有以下几个方面值得重点关注：

全新的 UI/UE 设计风格和框架 Material Design 以及和通知（Notification）栏有关的 UI/UE 变化
能大幅改善系统运行速度的运行时库 Android Runtime（简称 ART）。
致力于改善功耗的 Project Volta。

其中第二点中得 ART 是 Android Runtime 的缩写，它是 Google 用于替代饱受诟病的 Dalvik 虚拟机的替代品。其实，ART 早在 Android KitKat（版本号为 4.4）就已经推出，不过当时它还很不完善，所以被放到设置程序中的“开发者选项”里供一些供感兴趣的开发者使用。

ART 究竟有什么神奇之处呢？根据相关资料，总结如下：
（1）采用 AOT（Ahead-Of-Time，预编译）编译技术，它能将 Java 字节码直接转换成目标机器的机器码。
（2）更为高效和细粒度的垃圾回收机制（GC）。

下面简短的介绍下 android 5.0 ART GC 的改动：

（一）内存分配器

Dalvik
在 Android 系统 C 语言库 bionic 中直接使用了 dlmalloc 这一个十分流行的开源内存分配器。
ART
参考http://blog.tek-life.com/understanding-ros-memory-allocator-in-art-virtual-machine/ 创建了一种名叫 Runs-of-Slots-Allocator（RosAlloc）的分配器。这种分配器的特点是分配内存时，会采用更细粒度的锁控制。例如有不同的锁来保护不同的对象分配，或者当线程分配一些小尺寸对象时使用线程自己的堆栈，从而可完全不使用锁保护。同时这种分配器也更适合多线程的实现。
据 Google 自己的数据，RosAlloc 能达到最多 10 倍的速度提升.

（二）垃圾回收算法

Dalvik
Dalvik 的垃圾回收分为两个阶段。
第一个阶段，Dalvik 暂停所有的线程来分析堆的使用情况。
第二个阶段，Dalvik 暂停所有线程来清理堆。这就会导致应用在性能上的“卡顿”。
ART
ART 改进后的垃圾回收算法只暂停线程一次。ART 能够做到这一点，是因为应用本身做了垃圾回收的一些工作。垃圾回收启动后，不再是两次暂停，而是一次暂停。在遍历阶段，应用不需要暂停，同时垃圾回收停时间也大大缩短，因为 Google 使用了一种新技术（packard pre-cleaning），在暂停前就做了许多事情，减轻了暂停时的工作量。

（三）超大对象存储空间的支持
ART 还引入了一个特殊的超大对象存储空间(large object space，LOS)，这个空间与堆空间是分开的，不过仍然驻留在应用程序内存空间中。这一特殊的设计是为了让 ART 可以更好的管理较大的对象，比如位图对象(bitmaps)。
堆空间碎片化严重时，较大的对象会带来一些问题。比如，在分配一个此类对象时，相比其他普通对象，会导致垃圾收集器启动的次数增加很多。有了这个超大对象存储空间的支持，垃圾收集器因堆空间分段而引发调用次数将会大大降低，这样垃圾收集器就能做更加合理的内存分配，从而降低运行时开销。

（四）Moving GC 策略
ART 为了解决堆空间内存碎片化的问题，近期提出了“Moving GC”的方法。其目的是清理堆栈以减少内存碎片。由于这个工作会导致应用程序长时间中断，所以它必须等程序退到后台时才能开展。核心思想是，当应用程序运行在后台时，将程序的堆空间做段合并操作。

（五）GC 调度策略的多样性
经过比较 Dalvik 和 ART 的源码后，发现 ART 中 GC 调度策略发生了很大的变动。
具体来说分为以下几个方面

（a）GC触发方式
（b）GC的种类
（c）垃圾回收算法的多样性

（a）GC 触发方式
（1）Dalvik
GC 触发方式主要有 GC_FOR_MALLOC;GC_CONCURRENT;GC_EXPLICIT;GC_BEFORE_OOM 这四种。
（2）ART

  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,
    // GC triggered for a native allocation.
    kGcCauseForNativeAlloc,
    // GC triggered for a collector transition.
    kGcCauseCollectorTransition,
    // Not a real GC cause, used when we disable moving GC (currently for   GetPrimitiveArrayCritical).
    kGcCauseDisableMovingGc,
    // Not a real GC cause, used when we trim the heap.
    kGcCauseTrim,
    // GC triggered for background transition when both foreground and background   collector are CMS.
    kGcCauseHomogeneousSpaceCompact,
  };

（b）GC 的种类
（1）Dalvik
就一种 GC(并发、非并发)
（2）ART
三种 GC(并发、非并发)：快速 GC 策略 Sticky GC；局部 GC 策略 Partial GC；全局 GC 策略 Full GC。

  enum GcType {
    // Placeholder for when no GC has been performed.
    kGcTypeNone,
    // Sticky mark bits GC that attempts to only free objects allocated since the last GC.
    kGcTypeSticky,
    // Partial GC that marks the application heap but not the Zygote.
    kGcTypePartial,
    // Full GC that marks and frees in both the application and Zygote heap.
    kGcTypeFull,
    // Number of different GC types.
    kGcTypeMax,
  };

（c）垃圾回收算法的多样性
（1）Dalvik
两种：串行 Mark-Sweep 算法、并行 Mark-Sweep 算法
（2）ART

  enum CollectorType {
  // No collector selected.
  kCollectorTypeNone,
  // Non concurrent mark-sweep.
  kCollectorTypeMS,
  // Concurrent mark-sweep.
  kCollectorTypeCMS,
  // Semi-space / mark-sweep hybrid, enables compaction.
  kCollectorTypeSS,
  // A generational variant of kCollectorTypeSS.
  kCollectorTypeGSS,
  // Mark compact colector.
  kCollectorTypeMC,
  // Heap trimming collector, doesn't do any actual collecting.
  kCollectorTypeHeapTrim,
  // A (mostly) concurrent copying collector.
  kCollectorTypeCC,
  // A homogeneous space compaction collector used in background transition
  // when both foreground and background collector are CMS.
  kCollectorTypeHomogeneousSpaceCompact,
  };

可以看到，除了标记清楚算法，基于半空间（semi-space）的拷贝算法也实现了，其中 GSS（分代半空间拷贝算法）的实现具有很大的研究性。

上面只是初步的认识，很多地方得详细研究后才能确定。

参考：
【1】http://www.cnblogs.com/jinkeep/p/3818180.html 【原创】【Android】揭秘 ART 细节 —- Garbage collection
【2】https://www.infinum.co/the-capsized-eight/articles/art-vs-dalvik-introducing-the-new-android-runtime-in-kit-kat
【3】http://www.lingcc.com/2014/07/16/12599/ 近距离端详 Android ART 运行时库
【4】http://blog.tek-life.com/understanding-garbage-collector-in-art-of-android/

Android 5.0 ART GC 对比 Android 4.x Dalvik GC

Android 5.0 ART GC VS Android 4.x Dalvik GC

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