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ART的GC算法

news 2025/9/10 11:30:58

了解ART GC的演进历史非常重要：

Dalvik (Android 4.4及之前)：主要使用分代GC + Mark-Sweep。一个显著的特点是Stop-The-World (STW)，即进行GC时，所有应用线程都会暂停，导致应用卡顿
ART (Android 5.0 - 8.0)：引入了多种GC方案，并大力优化以减少STW时间。这个阶段是并发标记和并发拷贝的成熟期
ART (Android 8.0 - 10.0)：在并发拷贝的基础上，引入了Generational Concurrent Copying (GCC)，即分代并发拷贝，成为了默认的GC策略，对堆空间进行了明确的代际划分
ART (Android 11+)：对GCC进行了进一步优化，并开始为特定设备（通常是低内存设备）引入Region-based GC，其思想类似于JVM中的G1，但实现上更轻量

ART的GC并非单一算法，而是一个组合策略，针对不同情况（如堆大小、碎片化程度、Android版本）会选择不同的方案。我们重点分析您提到的以及ART中最核心的几种

这是ART现代GC的基石，尤其是在Android 8.0之后

核心思想：将堆分为两个空间（From-Space 和 To-Space）。GC开始时，应用线程短暂暂停（STW），进行根节点枚举。之后，应用线程恢复，GC线程并发地将所有从根节点可达的存活对象从From-Space拷贝到To-Space。拷贝完成后，再次短暂STW，切换一些状态，然后回收整个From-Space（里面全是垃圾）
优点：
○ 极高的吞吐量：回收内存就是直接“扔掉”整个From空间，速度极快
○ 避免碎片化：在拷贝过程中，存活对象被紧凑地排列在To-Space，自然地完成了内存整理
○ 大部分阶段并发：主要的拷贝工作是和应用线程并发进行的，极大地减少了STW时间
缺点：
○ 需要额外空间：需要有一半的堆空间作为“To-Space”备用，内存使用效率不是100%
○ 拷贝开销：如果存活对象非常多，拷贝过程会有一定开销

它与JVM中CMS/G1的关系：

CC更像是一种基础回收算法，而CMS/G1是更高级的管理器。CC是ART实现低延迟目标的关键技术，类似于G1和ZGC中使用的拷贝/转移技术

这是一个管理策略，而非具体回收算法。从Android 8.0 (Oreo) 开始，ART的默认GC策略明确采用了分代模型，称为 Generational Concurrent Copying (GCC)

核心思想：基于“弱代假说”(Weak Generational Hypothesis)——绝大多数对象都是朝生夕死的
堆划分：
○ Young Generation (年轻代)：存放新创建的对象。分为一个Eden区和两个Survivor区 (S0, S1)
○ Old Generation (老年代)：存放经过多次GC仍然存活的对象
GC类型：
○ Minor GC / Young Collection：只回收年轻代。频率非常高，但速度快，因为要处理的对象集很小
○ Major GC / Full Heap Collection：回收整个堆（年轻代+老年代）。频率低，但耗时长，STW风险更高
工作流程：
① 新对象分配在Eden区
② Eden区满时，触发一次Minor GC。使用并发拷贝算法，将Eden和当前活动的Survivor区中的存活对象拷贝到另一个Survivor区，年龄+1。拷贝几次后（年龄达到阈值），对象被提升(Promote)到老年代
③ 老年代空间不足时，触发Major GC

分代的目的：通过频繁、快速地回收年轻代，避免大量短期存活的对象被提升到老年代，从而减少耗时更长的Major GC的发生频率

CMS (Concurrent Mark-Sweep)：
ART在早期版本（如Android 7.0）中有一个名为 Concurrent Mark-Sweep (CMS) 的回收器，主要用于老年代回收。它的目的是与应用程序并发执行，减少STW。但其核心是标记-清除(Mark-Sweep)，不会移动对象，因此会导致内存碎片。在后续版本中，由于并发拷贝在大多数场景下表现更优（能整理碎片），CMS逐渐被弃用
G1 (Garbage-First)：
ART没有直接移植JVM的G1回收器。但是，从 Android 11 开始，ART为低内存设备（通常RAM<2GB）引入了一种新的 Region-based GC
○ 相似之处：它将堆划分为多个固定大小的Region，像G1一样。这允许GC优先收集那些包含最多垃圾的Region（Garbage-First思想的体现），从而更高效地回收内存，尤其是在堆很大但碎片化严重时
○ 不同之处：ART的实现比HotSpot JVM的G1更简单、更轻量级，主要是为了适应移动设备的资源约束。它可能不是所有设备的默认选项，而是作为一种针对低内存设备的优化方案

一次完整的GC周期是多种技术的融合：

STW: 暂停应用线程，枚举根对象 (GC Roots)
并发标记：恢复应用线程，GC线程遍历对象图，标记所有可达对象。应用线程同时在分配新对象，这些新对象被初始标记为“存活”并记录在写屏障(Write Barrier)的队列里
处理脏对象：再次STW（时间很短），重新扫描在并发标记阶段被修改的对象（通过写屏障记录），确保标记完整性
回收决策：根据标记结果和选择的GC策略（如是否分代），决定回收哪些空间。如果是年轻代回收，就回收Eden和一个Survivor区
并发拷贝/压缩：将决定要回收的区域中的存活对象拷贝到空闲区域（另一个Survivor区或老年代）。这个拷贝过程大部分是并发的
回收内存：拷贝完成后，原本的空间被全部回收，可以用于后续分配

特性/算法	Concurrent Copying (CC)	Generational CC (GCC)	(ART historical) CMS	Region-based (Android 11+)
核心思想	拷贝存活对象，整区回收	分代假设 + 并发拷贝	并发标记，不清算	分区管理，优先回收垃圾多区域
碎片处理	有效避免（整理压缩）	有效避免（整理压缩）	产生碎片（标记清除）	有效避免（可整理）
STW时间	短（主要阶段并发）	非常短（YGC快）	较短（并发标记）	目标为短
内存开销	较高（需一半堆做备份）	中等	低	中等（元数据记录）
适用场景	中高端设备，默认策略	Android 8.0+ 默认策略	ART旧版本老年代回收	低内存设备，解决碎片