前言
Android系统的APP运行需要依赖ART虚拟机(Android Runtime)，ART虚拟机的主要作用是给APP的java代码提供运行环境，其中编译、执行、垃圾回收(GC)模块是ART虚拟机的重中之重。GC使得java开发人员能专注于业务实现，而不用担心内存泄漏。
此文章将简要的向大家介绍ART虚拟机中Heap布局、常见GC类型和对应的问题案例。为大家分析优化应用提供一些思路。
本文基于的代码和调试手机系统为Android R(11)版本。
一、GC的相关配置
1. 内存回收器(回收算法)、内存分配器
因为Android R支持读屏障(kUseReadBarrier)，在虚拟机创建阶段，内存回收器设置为：
*前台回收器foreground_collector_type = kCollectorTypeCC
*后台回收器background_collector_type = kCollectorTypeCCBackground
##对于CC(ConcurrentCopying)并发复制回收器而言，前后台回收器只用于配置前后台GC时的一些回收器参数，实质回收器只有一种即kCollectorTypeCC。一般当应用退到后台，系统希望应用尽可能释放UI相关的垃圾对象并最大程度的进行内存整理。
##读屏障(kUseReadBarrier)有三种实现方式，涉及到内存回收算法的底层实现逻辑，读者可自行了解，本文不做阐述。
ART虚拟机创建时先确定内存回收器的类型，进而绑定对应的内存分配器，因回收器已设置为CC(ConcurrentCopying)即并发复制回收器，则Heap内存的主要分配区域定为RegionSpace，RegionSpace由一个个256KB的Region组成。对应的RegionSpace内存分配器定为kAllocatorTypeRegion。
从下图代码中可知，并发复制回收若启用分代GC，默认回收策略是Sticky即只回收上次GC后新生成的对象。若未启用分代，默认回收策略是Full即扫描所有space包括zygoteSpace的对象做回收。Android R版已启用分代，则默认策略模式是Sticky。
二、ART虚拟机Heap内存布局
1. 应用Heap布局示例
作者使用Android R版本手机，安装HelloWorld应用查看进程map文件，应用的Heap布局如下图。
此手机Heap参数和应用large_heap配置如下，应用可用堆上限为256MB。
[dalvik.vm.heapgrowthlimit]: [256m]
[dalvik.vm.heapsize]: [512m]
android:largeHeap="false"
2. Space类型
（1）RegionSpace [512M]：
A) 虚拟地址起点为300MB(0x12c00000),可看到图中和ImageSpace之间地址不连续。
B) 虚拟地址范围：为支持堆完整复制，需要额外预留一倍空间。当进程启动后BindApplication阶段调用ClampGrowthLimit()将RegionSpace 虚拟地址空间size设置为两倍的堆上限。
C) 内存分配：绝大多数的对象分配的区域。RegionSpace由256KB大小的Region组成，Region的分配算法是最简单的指针碰撞(BumpPointer)。
当一次分配请求到来，通过For循环遍历可用的Region。当已分配的Region数量已超过总数的一半，不允许再占用新的Region，只能依赖内存回收和整理来释放内存用于分配。
D) 回收策略：当一个Region中存活对象占用大小超过75%时，此Region标记为kRegionTypeUnevacFromSpace，表示无需进行拷贝。否则将此Region中存活对象拷贝至标记成ToSpace的另一个Region中，拷贝完成后回收整个Region，立刻释放256KB内存。
具体的算法实现更加复杂，读者可进一步了解CC算法的实现。
（2） ImageSpace [4M]:
A) Zygote进程创建时，根据boot.art文件ImageHeader结构体中指定的映射地址(0x70e44000)，创建ImageSpace，将boot.art内存镜像文件映射到进程的虚拟地址空间。
B) ImageSpace不支持分配对象，也无需回收。
C) ImageSpace创建后同步映射boot.oat文件到ImageSpace地址后面。
D) ImageSpace中映射的.art文件可能有多个，比如boot-core-libart.art/boot-okhttp.art。boot.oat区域亦然。
（3）ZygoteSpace [3M]:
A）包含Zygote进程从创建到第一次Fork前所有存活的对象。当Fork新进程时无需再单独映射或创建必需的对象，直接复用Zygote进程的数据，加快进程创建。
B）创建过程：
1 Zygote进程创建Heap时，申请一块DlmallocSpace类型的64MB地址空间，命名为“zygote/non moving space”。
2 Zygote进程此时可在“zygote/non moving space”和RegionSpace中分配对象。
3 当Fork SystemServer时，Zygote进程进行一次Full GC并Trim裁剪内存，将回收后的内存还给系统。再将RegionSpace中存活对象复制到“zygote/non moving space”，将两部分的存活对象进行一次压缩。整个64MB空间一拆为二，压缩后保留Zygote进程所有存活对象的Space命名为“zygote space”，剩余的空闲内存命名为“non moving space”。
C）一拆为二后，新的“zygote space”不再支持内存分配与释放。
（4）Non moving space [61M]:
A) 分配算法：Dlmalloc。
B) 存放AllocNonMovableObject分配的obj，主要是类加载过程创建的类对象（Class）、类方法对象（ArtMethod)、类成员变量对象（ArtField）。
C) 创建过程见2.2.3。
（5） LOS-LargeObjectSpace [512M]:
A) LOS有两种实现类型(free list\mmap),Android R默认实现为free list形式，以Heap size(capacity_)作为参数调用FreeListSpace::Create()接口创建。
B) 单次分配超过12KB的String和基础类型的数组如int[]，在LOS中分配。
三、GC的常见类型
1. GC流程简介
GC相关博客文章已经浩如烟海，推荐读者阅读邓凡平老师的《深入理解Android:java虚拟机ART》、周志明老师的《深入理解java虚拟机》和网上的博客例如罗升阳、芦航等，本文不做铺陈。
2. GC类型与案例
为了反映不同场景下的GC，作者使用GC对应用状态的影响和gc_cause(触发原因)来做区分。能够更好的阐述GC不同类型之间的异同。
基于GC对应用状态的影响将GC初步分为两类，并发类和阻塞类。并发类GC指GC在GC回收线程(HeapTaskDaemon)执行，阻塞类GC在进程的工作线程执行。
再根据gc_cause具体分为Background GC\Native GC\CollectorTransition GC\Alloc GC\Explicit GC。
（1） 并发类GC
并发类GC因为运行在HeapTaskDaemon线程中，对应用的状态影响较小，一般情况下对于用户体验和应用逻辑是透明的。并发类GC对于内存回收具有至关重要的作用，减少系统处于低内存和大量内存碎片的情况。对于如今的手机SOC算力和配置来说，CPU能力比较富余，而内存不太富余，应当在合适的时机多执行并发类GC。
但是在一些特殊场景如某些特殊应用、低端手机中，因并发类GC带来的卡顿、高负载、功耗问题也很常见，主要的影响有以下几类。
(A) HeapTaskDaemon运行GC时，CC算法需要很强算力，容易抢占CPU大核\超大核资源，导致应用UI绘制相关线程task无法及时被CPU调度或UI绘制相关线程被挤在小核中无法在一个Vsync周期完成绘制与渲染。进而引起卡顿不流畅。
(B) 后台驻留应用多，且后台活动频繁时，多个后台HeapTaskDaemon占用多个CPU核，加重负载情况，引起整机高负载，在整机高负载下各进程的线程存在各种Runnable和Uninterruptable sleep（D）状态，各种SystemServer等锁、ANR、IOwait、BlockMsg情形接踵而至,卡顿也就逃不掉了。
(C) CC回收算法STW(stop the world)时间即pause time已经非常低，但是依然存在一些场景下，因CC算法某些阶段需要STW(比如ReclaimPhase阶段需要LockHeap锁堆，锁堆会STW)，造成进程除HeapTaskDaemon外的其他线程都处于Sleeping状态，特殊应用可能出现STW时间达到几十ms级别以上，会导致卡顿问题。见3.2.1.1.1点。
(D) Blocking GC导致丢帧，例如主线程调用System.gc()进行一次显示GC，因ART虚拟机一次只能发起一次GC，若此时有其他GC在运行，需等待此次GC完成，主线程一直等待导致丢帧卡顿。
(E) 特殊应用在用户操作时临时对象分配内存过多，HeapTaskDaemon持续进行GC，GC频繁导致场景功耗电流很高，影响续航与发热。
① Background GC/Bg GC
此类为最常见的GC类型，大致90%以上的GC都是此类型。
(A) 触发逻辑：ART 中heap.cc维护一个Background GC水位值(concurrent_start_bytes_),此水位值由以下因素(multiplier\maxfree\minfree\utilization\gctype)共同影响。在每次GC完成后，调用GrowForUtilization()接口计算Background GC水位值。
GC水位计算比较简单，读者可百度GC触发时机相关文章，本文不再铺陈。
在每次对象分配后，判断已分配java堆大小和水位的对比，若超水位立刻触发Background GC。
(B) 作用：时刻追踪java堆大小，避免垃圾对象过多，及时回收内存，减少不必要的内存消耗。
1） 案例1【前台应用Bg GC频繁，引起主观滑动卡顿，顿挫感明显】
应用：新浪新闻V7.63.1
场景：视频>>小视频>>短视频展示页，上下滑动，明显卡顿
systrace情形：HeapSize呈锯齿状，HeapTaskDaemon中GC频繁，Sticky/Full GC互相交替运行。
卡顿根因：滑动过程此应用临时对象占用内存过多，堆Heap size上升迅速，达到GC水位线，触发Bg GC。GC回收ReclaimPhase阶段lock heap锁堆各线程被pause，主线程Sleeping耗时过长丢帧卡顿。
优化方向：应用内存使用不合理，反馈应用优化。
2） 案例2【后台应用Bg GC频繁，引起整机高负载，引起前台应用卡顿】
场景：后台驻留20-30个应用，压力测试应用启动和关闭时桌面动画流畅性
Systrace情形：后台应用活动频繁，多个进程HeapTaskDaemon进程占用卡顿时间段内30-50% CPU资源。
卡顿根因：后台应用活动频繁，引起整机高负载，引起前台应用的UI相关线程资源调度不及时。
优化方向：1 排查后台管控策略，加强管控能力 2 缓解方案：减少高负载时Bg GC,优化HeapTaskDaemon调度
② Native GC/NativeAlloc GC
ART可以管理一些特定的Native内存。某些java类(如Bitmap)使用NativeAllocationRegistry类申请和释放Native内存时会同步告知ART，ART可监控此类由java对象引用的Native对象内存。
此类引用模式就像“提线木偶”，java对象引用Native对象，java对象内存占用很小，大头在Native对象。在ART回收java对象时，此java对象已设置死亡回调会主动释放引用的Native内存。
基于此原理ART虚拟机可间接管理一部分Native内存。
##注意，开发人员在C++\C代码中malloc\mmap分配的Native内存，无法被ART管理，此部分内存使用没有上限，只能依靠LMKD或虚拟地址空间耗尽OOM，进程死亡后回收。
(A) 触发逻辑：
1 单次超过300KB的Native内存分配，触发Native已分配内存和Native GC水位检查，超过则进行一次NativeGC。
2 每32次小于300KB的Native内存分配，触发一次检查，超过Native GC水位进行一次NativeGC。
(B) 与Background GC异同点：GC代码流程完全一样，主要为触发原因不同。Bg GC回收Bitmap，也会自动释放Bitmap关联的Native内存。
③ 案例1【Native GC频繁引起特定场景高负载】
场景：应用内退出到桌面、特定应用(如相机、相册)冷热启动
Systrace表现：应用进程HeapTaskDaemon线程运行gc_cause为NativeAlloc的GC，增加系统负载。
优化方向：simplePerf确认触发堆栈，推动优化，若为超过300KB的NativeGC，强烈建议优化掉，减少必现的GC。
④ CollectorTransition GC
此类GC发生在应用processState在IMPORTANT_FOREGROUND(6)状态上下切换时，processState<=6代表应用可被感知，>6代表应用活动不被感知。ART中只关心是否能被感知，进而调整一些GC的参数。在ART设计中，应用processState>6时，代表应用退入后台用户无法感知(STW时间不关心)，此时应进行内存回收和整理，减少内存碎片，提升内存利用率。CollectorTransition GC就是起此作用。
(A) 触发逻辑：应用退入后台即processState>6，代表用户无法感知此应用，请求一次delay 5s的并发GC，gc_cause为kGcCauseCollectorTransition。
(B) 与Background GC异同点：GC逻辑流程一致，但是CC回收器对Explicit GC和CollectorTransition GC会进行最大程度的内存整理，所有region会被拷贝至tospace，不受75%比例的限制，存活对象整理到新的region中。
⑤ 案例1【CollectorTransition GC频繁引起应用退出动画卡顿】
应用：腾讯视频
场景：后台驻留20-30个应用，压力测试应用开启与关闭时的流畅性
Systrace表现：桌面启动应用时动画不流畅，整机负载偏高，Heaptaskdaemon为负载TOP1，主要占据4个小核。
卡顿根因：GC负载主因是腾讯视频退后台，延迟5S后触发CollectorTransition类型的GC，且腾讯视频同个UID下5个进程同步触发。刚好遇上桌面启动应用过程。另外其他应用的GC也有一定负载影响。
优化方向：1 加强后台进程管控（退后台快速冻结，限制资源使用等）2 保证内存压缩效果情况下减少CollectorTransition GC。
（2） 阻塞类GC
作者将运行在工作线程中的GC归类为阻塞类GC，主要有两类：Alloc GC和Explicit GC，阻塞类GC会Block工作线程，可能出现GC耗时过长，导致进程出现操作卡顿、ANR、卡死等情况发生。在应用设计中，应尽可能避免此类GC。
Alloc GC常见于进程heap size触顶即达到堆上限，无法再继续分配对象，将发起一次或多次GC回收内存再尝试分配，若依然分配失败，会触发OOM进程死亡。
Explicit GC常见于两种情况，1 应用代码中主动调用Runtime.gc()\System.gc()，主要见于APP覆写onTrimMemory()接口。2 SystemServer\系统应用\adb调试等进程给对应进程发送kill -10产生SIGUSER1的signal，此进程的SignalCatcher线程捕获signal后执行一次Explicit GC。
阻塞类GC主要影响有以下几点：
(A) 阻塞工作线程运行，GC耗时普遍在50ms-200ms间甚至更长，APP逻辑运行时间增加，可能引起卡顿问题。
(B) 应用主动频繁调用Explicit GC，可能出现回收效果甚微，但增加大量无效负载，引起功耗增加，续航减少，手机发热等问题。
(C) 在进程heap size快要触顶达到堆上限时，一般是内存泄漏场景，此时各工作线程和HeaptaskDaemon都在发起各种GC，各类GC互相Block等锁，导致应用卡死。头部TOP应用比较常见。
① Alloc GC
从项目经验看，因为最近几年的Android版本都使用CC回收器，RegionSpace的limit已经设置成堆上限值，出现Alloc GC即可代表heap size接近触顶快到达堆上限，几乎无法回收出内存。
绝大部分都是应用出现内存泄漏。此时多次Alloc GC也释放不出内存，出现各种Block等锁，应用卡死，挤牙膏挤不出，或者只能挤一点点，等待此进程的要不卡死要不就是OOM。
以下两个案例介绍这种情形。
1） 案例1【Alloc GC频繁引起应用操作卡顿】
应用：内部测试工具
场景：测试工具持续压力使用，应用长时间卡顿定屏
Systrace表现：如下图，heapsize已经达到242M，此时分配大内存对象失败，主线程触发多次Alloc GC。因内存泄漏，并未回收出内存，应用马上出现OOM闪退。
卡顿根因：应用内存泄漏。
优化方向：1 解决内存泄漏点 2 若应用必须占用大量内存，可配置android:largeHeap="true" 3 fork新进程实现功能，避免单个进程heap size过高
2） 案例2【Block GC频繁引起应用卡死】
应用：抖音
场景：长时间压力测试抖音视频切换
问题特征：
1 Log：卡死期间一直打印Starting a blocking GC xx和WaitForGcToComplete blocked xx on xx for xxms
2 Systrace：Heap size触顶，且各线程有很多TAG（GC:Wait For Completion xx）
3 Meminfo：进程此时内存占用2G以上
卡死根因：抖音内存泄漏，各工作线程发起Alloc GC,但HeapTaskDaemon正在运行GC，各工作线程等锁Sleeping，造成卡死。
优化方向：推动应用优化内存泄漏(已反馈，新版本已优化)
② Explicit GC/显式GC/强制GC/
见3.2.2阻塞类GC的阐述，此类GC多见于应用主动调用Runtime.gc()\System.gc()，以下两个案例分别为OnTrimMemory调用显式GC和工作线程中主动调用显式GC。
##Explicit GC和CollectorTransition GC一样，没有MakingPhase阶段，因为系统设定两种GC都会做最大力度的内存整理，所有region的存活对象都会被拷贝，不受75%存活量占比限制。
1）案例1【OnTrimMemory 中Explicit GC频繁引起应用卡顿】
应用：平行空间、bima+
场景：后台驻留35应用，自动化用例运行24小时，检查各进程丢帧与系统各指标
特征: systrace文件中发现doFrame的commit callback中执行trimMemory，执行一次concurrent copying GC。导致此次doFrame耗时过长，丢帧卡顿。
根因: 系统低内存触发OnTrimMemory回调，应用在OnTrimMemory中直接调用显式GC接口。
优化方向：1 系统分析优化低内存场景 2 应用实现OnTrimMemory因根据trimLevel和自身应用状态，根据情况按需调用显式GC接口，并且调用操作在子线程中实现。
2） 案例2【微信视频号/视频直播页面Explicit GC频繁】
应用：微信 V8.0.11
场景：
1 发现》直播和附近》直播》任意打开一个直播》上下滑动切换，必现一次显式GC
2 发现》点击视频号，必现一次显式GC
3 点击好友头像》进入好友详情页，点击好友的视频号，必现一次显式GC
优化方向：google已明确不建议应用调用显式GC来回收内存，Bg GC已经可以很好的回收垃圾对象，应用逻辑必现的显式GC，应优化内存分配逻辑，去除显式GC调用。减少无效负载。
当前此问题正和微信对接中。
四、总结
本文从Android R版本GC相关配置为入口，以HelloWorld应用为例介绍Heap布局。能够让读者对Android R版本java内存分配和管理有一个概念认识。紧接着以实际GC类型和案例，介绍各种不同gc cause GC的触发逻辑和影响，为系统开发人员和APP客户端开发人员提供项目GC问题优化思路。
参考资料
1) Android R源码
2) 《深入理解android java虚拟机art-邓凡平》
3) 老罗的Android之旅-https://blog.csdn.net/Luoshengyang?t=1&type=blog
4) ART的堆内存布局-https://www.cnblogs.com/YYPapa/p/6851299.html
5) ART虚拟机 | 如何让GC同步回收native内存-https://juejin.cn/post/6894153239907237902
6）Android GC 简史-https://juejin.cn/post/6966205309782065159
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