ART运行时Foreground GC和Background GC切换过程分析.docx
《ART运行时Foreground GC和Background GC切换过程分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ART运行时Foreground GC和Background GC切换过程分析.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
ART运行时ForegroundGC和BackgroundGC切换过程分析
ART运行时ForegroundGC和BackgroundGC切换过程分析
通过前面一系列文章的学习，我们知道了ART运行时既支持Mark-SweepGC，又支持CompactingGC。
其中，Mark-SweepGC执行效率更高，但是存在内存碎片问题；而CompactingGC执行效率较低，但是不存在内存碎片问题。
ART运行时通过引入ForegroundGC和BackgroundGC的概念来对这两种GC进行扬长避短。
本文就详细分析它们的执行过程以及切换过程。
在前面和这两篇文章中，我们都有提到了ART运行时的ForegroundGC和BackgroundGC。
它们是在ART运行时启动通过-Xgc和-XX:
BackgroundGC指定的。
但是在某同一段时间，ART运行时只会执行ForegroundGC或者BackgroundGC。
也就是说，ForegroundGC和BackgroundGC在整个应用程序的生命周期中是交替执行的。
这就涉及到从ForegroundGC切换到BackgroundGC，或者从BackgroundGC切换到ForegroundGC的问题。
现在两个问题就来了：
什么时候执行ForegroundGC，什么时候执行BackgroundGC？
什么GC作为ForegroundGC最合适，什么GC作为BackgroundGC最合适？
顾名思义，Foreground指的就是应用程序在前台运行时，而Background就是应用程序在后台运行时。
因此，ForegroundGC就是应用程序在前台运行时执行的GC，而Background就是应用程序在后台运行时执行的GC。
应用程序在前台运行时，响应性是最重要的，因此也要求执行的GC是高效的。
相反，应用程序在后台运行时，响应性不是最重要的，这时候就适合用来解决堆的内存碎片问题。
因此，Mark-SweepGC适合作为ForegroundGC，而CompactingGC适合作为BackgroundGC。
但是，ART运行时又是怎么知道应用程序目前是运行在前台还是后台呢？
这就需要负责管理应用程序组件的系统服务ActivityManagerService闪亮登场了。
因为ActivityManagerService清楚地知道应用程序的每一个组件的运行状态，也就是它们当前是在前台运行还是后台运行，从而得到应用程序是前台运行还是后台运行的结论。
我们通过图1来描述应用程序的运行状态与ForegroundGC和BackgroundGC的时序关系，如下所示：
从图1还可以看到，当从ForegroundGC切换到BackgroundGC，或者从BackgroundGC切换到ForegroundGC，会发生一次CompactingGC的行为。
这是由于ForegroundGC和BackgroundGC的底层堆空间结构是一样的，因此发生ForegroundGC和BackgroundGC切换时，需要将当前存活的对象从一个Space转移到另外一个Space上去。
这个刚好就是Semi-SpaceGC和GenerationalSemi-SpaceGC合适干的事情。
图1中的显示了应用程序的两个状态：
kProcessStateJankPerceptible和kProcessStateJankImperceptible。
其中，kProcessStateJankPerceptible说的就是应用程序处于用户可感知的状态，这就相当于是前台状态；而kProcessStateJankImperceptible说的就是应用程序处于用户不可感知的状态，这就相当于是后台状态。
接下来，我们就结合ActivityManagerService来分析ForegroundGC和BackgroundGC的切换过程。
从前面这个系列的文章可以知道，应用程序组件是通过ActivityManagerService进行启动的。
例如，当我们从Launcher启动一个应用程序时，实际的是在这个应用程序中Action和Category分别被配置为MAIN和LAUNCHER的Activity。
这个Activity最终由ActivityManagerService通知其所在的进程进行启动工作的，也就是通过ApplicationThread类的成员函数scheduleLaunchActivity开始执行启动工作的。
其它类型的组件的启动过程也是类似的，这里我们仅以Activity的启动过程作为示例，来说明ART运行时如何知道要进行ForegroundGC和BackgroundGC切换的。
ApplicationThread类的成员函数scheduleLaunchActivity的实现如下所示：
[java]viewplaincopy
publicfinalclassActivityThread{
......
privateclassApplicationThreadextendsApplicationThreadNative{
......
publicfinalvoidscheduleLaunchActivity（Intentintent,IBindertoken,intident,
ActivityInfoinfo,ConfigurationcurConfig,CompatibilityInfocompatInfo,
IVoiceInteractorvoiceInteractor,intprocState,Bundlestate,
PersistableBundlepersistentState,ListpendingResults,
ListpendingNewIntents,booleannotResumed,booleanisForward,
ProfilerInfoprofilerInfo）{
updateProcessState（procState,false）;
ActivityClientRecordr=newActivityClientRecord（）;
r.token=token;
r.ident=ident;
r.intent=intent;
r.voiceInteractor=voiceInteractor;
r.activityInfo=info;
patInfo=compatInfo;
r.state=state;
r.persistentState=persistentState;
r.pendingResults=pendingResults;
r.pendingIntents=pendingNewIntents;
r.startsNotResumed=notResumed;
r.isForward=isForward;
r.profilerInfo=profilerInfo;
updatePendingConfiguration（curConfig）;
sendMessage（H.LAUNCH_ACTIVITY,r）;
}
......
}
......
}
这个函数定义在文件frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java中。
ApplicationThread类的成员函数scheduleLaunchActivity首先是调用另外一个成员函数updateProcessState更新进程的当前状态，接着再将其余参数封装在一个ActivityClientRecord对象中，并且将这个ActivityClientRecord对象通过一个H.LAUNCH_ACTIVITY消息传递给应用程序主线程处理。
应用程序主线程处理对这个消息的处理就是启动指定的Activity，这个过程可以参考前面这个系列的文章。
ApplicationThread类的成员函数scheduleLaunchActivity还调用了另外一个成员函数updatePendingConfiguration将参数curConfig描述的系统当前配置信息保存下来待后面处理。
我们主要关注ApplicationThread类的成员函数updateProcessState，因为它涉及到进程状态的更新，它的实现如下所示：
[java]viewplaincopy
publicfinalclassActivityThread{
......
privateclassApplicationThreadextendsApplicationThreadNative{
......
publicvoidupdateProcessState（intprocessState,booleanfromIpc）{
synchronized（this）{
if（mLastProcessState!
=processState）{
mLastProcessState=processState;
//UpdateDalvikstatebasedonActivityManager.PROCESS_STATE_*constants.
finalintDALVIK_PROCESS_STATE_JANK_PERCEPTIBLE=0;
finalintDALVIK_PROCESS_STATE_JANK_IMPERCEPTIBLE=1;
intdalvikProcessState=DALVIK_PROCESS_STATE_JANK_IMPERCEPTIBLE;
//TODO:
Tunethissincethingslikegmailsyncareimportantbackgroundbutnotjankperceptible.
if（processState<=ActivityManager.PROCESS_STATE_IMPORTANT_FOREGROUND）{
dalvikProcessState=DALVIK_PROCESS_STATE_JANK_PERCEPTIBLE;
}
VMRuntime.getRuntime（）.updateProcessState（dalvikProcessState）;
......
}
}
}
......
}
......
}
这个函数定义在文件frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java中。
ApplicationThread类的成员变量mLastProcessState描述的是进程上一次的状态，而参数processState描述的是进程当前的状态。
当这两者的值不一致时，就表明进程的状态发生了变化，这时候就需要调用VMRuntime类的成员函数updateProcessState通知ART运行时，以便ART运行时可以在ForegroundGC和BackgroundGC之间切换。
ActivityManagerService一共定义了14种进程状态，如下所示：
[java]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
publicclassActivityManager{
......
/**@hideProcessisapersistentsystemprocess.*/
publicstaticfinalintPROCESS_STATE_PERSISTENT=0;
/**@hideProcessisapersistentsystemprocessandisdoingUI.*/
publicstaticfinalintPROCESS_STATE_PERSISTENT_UI=1;
/**@hideProcessishostingthecurrenttopactivities.Notethatthiscovers
*allactivitiesthatarevisibletotheuser.*/
publicstaticfinalintPROCESS_STATE_TOP=2;
/**@hideProcessisimportanttotheuser,andsomethingtheyareawareof.*/
publicstaticfinalintPROCESS_STATE_IMPORTANT_FOREGROUND=3;
/**@hideProcessisimportanttotheuser,butnotsomethingtheyareawareof.*/
publicstaticfinalintPROCESS_STATE_IMPORTANT_BACKGROUND=4;
/**@hideProcessisinthebackgroundrunningabackup/restoreoperation.*/
publicstaticfinalintPROCESS_STATE_BACKUP=5;
/**@hideProcessisinthebackground,butitcan'trestoreitsstatesowewant
*totrytoavoidkillingit.*/
publicstaticfinalintPROCESS_STATE_HEAVY_WEIGHT=6;
/**@hideProcessisinthebackgroundrunningaservice.Unlikeoom_adj,thislevel
*isusedforboththenormalrunninginbackgroundstateandtheexecuting
*operationsstate.*/
publicstaticfinalintPROCESS_STATE_SERVICE=7;
/**@hideProcessisinthebackgroundrunningareceiver.Notethatfromthe
*perspectiveofoom_adjreceiversrunatahigherforegroundlevel,butforour
*prioritizationherethatisnotnecessaryandputtingthembelowservicesmeans
*manyfewerchangesinsomeprocessstatesastheyreceivebroadcasts.*/
publicstaticfinalintPROCESS_STATE_RECEIVER=8;
/**@hideProcessisinthebackgroundbuthoststhehomeactivity.*/
publicstaticfinalintPROCESS_STATE_HOME=9;
/**@hideProcessisinthebackgroundbuthoststhelastshownactivity.*/
publicstaticfinalintPROCESS_STATE_LAST_ACTIVITY=10;
/**@hideProcessisbeingcachedforlateruseandcontainsactivities.*/
publicstaticfinalintPROCESS_STATE_CACHED_ACTIVITY=11;
/**@hideProcessisbeingcachedforlateruseandisaclientofanothercached
*processthatcontainsactivities.*/
publicstaticfinalintPROCESS_STATE_CACHED_ACTIVITY_CLIENT=12;
/**@hideProcessisbeingcachedforlateruseandisempty.*/
publicstaticfinalintPROCESS_STATE_CACHED_EMPTY=13;
......
}
这些进程状态值定义在文件frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManager.java。
每一个进程状态都通过一个整数来描述，其中，值越小就表示进程越重要。
ART运行时将状态值大于等于PROCESS_STATE_IMPORTANT_FOREGROUND的进程都认为是用户可感知的，也就是前台进程，其余的进程则认为是用户不可感知的，也就是后台进程。
通过这种方式，ApplicationThread类的成员函数updateProcessState就可以简化ART运行时对进程状态的处理。
除了上述的Activity的Launch启动生命周期函数被ActivityManagerService通知调用时，Activity的Resume生命周期函数被ActivityManagerService通知调用调用时，也会发生类似的通过VMRuntime类的成员函数updateProcessState通知ART运行时应用程序状态发生了改变。
对于其它的组件，例如BroadcastReceiver组件被触发时，Service组件被创建以及被绑定时，也会通过VMRuntime类的成员函数updateProcessState通知ART运行时应用程序状态发生了改变。
不过，上述组件的生命周期对应的都是应用程序处于前台时的情况，也就是要求ART运行时从BackgroundGC切换为ForegroundGC的情况。
当应用程序处于后台时，ActivityManagerService是通过直接设置应用程序的状态来通知ART运行时应用程序状态发生了改变的。
ApplicationThread类实现了一个Binder接口setProcessState，供ActivityManagerService直接设置应用程序的状态，它的实现如下所示：
[java]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
publicfinalclassActivityThread{
......
privateclassApplicationThreadextendsApplicationThreadNative{
......
publicvoidsetProcessState（intstate）{
updateProcessState（state,true）;
}
......
}
......
}
这个函数定义在文件frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java中。
ApplicationThread类实现的Binder接口setProcessState也是通过上面分析的成员函数updateProcessState来通知ART运行时进程状态发生了改变的。
不过这时候进程的状态就有可能是从前面进程变为后台进程，例如当运行在该进程的Activity组件处理Stop状态时。
接下来我们继续分析VMRuntime类的成员函数updateProcessState的实现，以便了解ART运行时执行ForegroundGC和BackgroundGC切换的过程，如下所示：
[java]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
publicfinalclassVMRuntime{
......
/**
*Lettheheapknowofthenewprocessstate.Thiscanchangeallocationandgarbagecollection
*behaviorregardingtrimmingandcompaction.
*/
publicnativevoidupdateProcessState（intstate）;
......
}
这个函数定义在文件libcore/libart/src/main/java/dalvik/system/VMRuntime.java中。
VMRuntime类的成员函数updateProcessState是一个Native函数，它由C++层的函数VMRuntime_updateProcessState实现，如下所示：
[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
staticvoidVMRuntime_updateProcessState（JNIEnv*env,jobject,jintprocess_state）{
Runtime:
:
Current（）->GetHeap（）->UpdateProcessState（static_cast:
ProcessState>（process_state））;
......
}
这个函数定义在文件art/runtime/native/dalvik_system_VMRuntime.cc中。
函数VMRuntime_updateProcessState主要是调用了Heap类的成员函数UpdateProcessState来通知ART运行时切换ForegroundGC和BackgroundGC，后者的实现如下所示：
[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
voidHeap:
:
Upd
升级会员 