ART运行时Compacting GC为新创建对象分配内存的过程分析.docx
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ART运行时CompactingGC为新创建对象分配内存的过程分析
ART运行时CompactingGC为新创建对象分配内存的过程分析
在引进CompactingGC后，ART运行时优化了堆内存分配过程。
最显著特点是为每个ART运行时线程增加局部分配缓冲区（TheadLocalAllocationBuffer）和在OOM前进行一次同构空间压缩（HomogeneousSpaceCompact）。
前者可提高堆内存分配效率，后者可解决内存碎片问题。
本文就对ART运行时引进CompactingGC后的堆内存分配过程进行分析。
从接口层面上看，除了提供常规的对象分配接口AllocObject，ART运行时的堆还提供了一个专门用于分配非移动对象的接口AllocNonMovableObject，如图1所示：
非移动对象指的是保存在前面一篇文章提到的Non-MovingSpace的对象，主要包括那些在类加载过程中创建的类对象（Class）、类方法对象（ArtMethod）和类成员变量对象（ArtField）等，以及那些在经历过若干次GenerationalSemi-SpaceGC之后仍然存活的对象。
前者是通过AllocNonMovableObject接口分配的，而后者是在执行GenerationalSemi-SpaceGC过程移动过去的。
本文主要关注通过AllocNonMovableObject接口分配的非移动对象。
无论是通过AllocObject接口分配对象，还是通过AllocNonMovableObject接口分配对象，最后都统一调用了另外一个接口AllocObjectWithAllocator进行具体的分配过程，如下所示：
[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
classHeap{
public:
......
//Allocatesandinitializesstorageforanobjectinstance.
template
mirror:
:
Object*AllocObject（Thread*self,mirror:
:
Class*klass,size_tnum_bytes,
constPreFenceVisitor&pre_fence_visitor）
SHARED_LOCKS_REQUIRED（Locks:
:
mutator_lock_）{
returnAllocObjectWithAllocator（self,klass,num_bytes,
GetCurrentAllocator（）,
pre_fence_visitor）;
}
template
mirror:
:
Object*AllocNonMovableObject（Thread*self,mirror:
:
Class*klass,size_tnum_bytes,
constPreFenceVisitor&pre_fence_visitor）
SHARED_LOCKS_REQUIRED（Locks:
:
mutator_lock_）{
returnAllocObjectWithAllocator（self,klass,num_bytes,
GetCurrentNonMovingAllocator（）,
pre_fence_visitor）;
}
template
ALWAYS_INLINEmirror:
:
Object*AllocObjectWithAllocator（
Thread*self,mirror:
:
Class*klass,size_tbyte_count,AllocatorTypeallocator,
constPreFenceVisitor&pre_fence_visitor）
SHARED_LOCKS_REQUIRED（Locks:
:
mutator_lock_）;
AllocatorTypeGetCurrentAllocator（）const{
returncurrent_allocator_;
}
AllocatorTypeGetCurrentNonMovingAllocator（）const{
returncurrent_non_moving_allocator_;
}
......
private:
......
//Allocatortype.
AllocatorTypecurrent_allocator_;
constAllocatorTypecurrent_non_moving_allocator_;
......
};
这五个函数定义在文件art/runtime/gc/heap.h
在Heap类的成员函数AllocObject和AllocNonMovableObject中，参数self描述的是当前线程，klass描述的是要分配的对象所属的类型，参数num_bytes描述的是要分配的对象的大小，最后一个参数pre_fence_visitor是一个回调函数，用来在分配对象完成后在当前执行路径中执行初始化操作，例如分配完成一个数组对象，通过该回调函数立即设置数组的大小，这样就可以保证数组对象的完整性和一致性，避免多线程环境下通过加锁来完成相同的操作。
Heap类的成员函数AllocObjectWithAllocator需要另外一个额外的类型为AllocatorType的参数来描述分配器的类型，也就是描述要在哪个空间分配对象。
AllocatorType是一个枚举类型，它的定义如下所示：
[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
//Differenttypesofallocators.
enumAllocatorType{
kAllocatorTypeBumpPointer,//UseBumpPointerallocator,hasentrypoints.
kAllocatorTypeTLAB,//UseTLABallocator,hasentrypoints.
kAllocatorTypeRosAlloc,//UseRosAllocallocator,hasentrypoints.
kAllocatorTypeDlMalloc,//Usedlmallocallocator,hasentrypoints.
kAllocatorTypeNonMoving,//Specialallocatorfornonmovingobjects,doesn'thaveentrypoints.
kAllocatorTypeLOS,//Largeobjectspace,alsodoesn'thaveentrypoints.
};
这个枚举类型定义在文件/art/runtime/gc/allocator_type.h。
AllocatorType一共有六个值，它们的含义如下所示：
kAllocatorTypeBumpPointer：
表示在BumpPointerSpace中分配对象。
kAllocatorTypeTLAB：
表示要在由BumpPointerSpace提供的线程局部分配缓冲区中分配对象。
kAllocatorTypeRosAlloc：
表示要在RosAllocSpace分配对象。
kAllocatorTypeDlMalloc：
表示要在DlMallocSpace分配对象。
kAllocatorTypeNonMoving：
表示要在NonMovingSpace分配对象。
kAllocatorTypeLOS：
表示要在LargeObjectSpace分配对象。
Heap类的成员函数AllocObject和AllocNonMovableObject使用的分配器类型分别是由成员变量current_allocator_和current_non_moving_allocator_决定的。
前者的值与当前使用的GC类型有关。
当GC类型发生变化时，就会调用Heap类的成员函数ChangeCollector来修改当前使用的GC，同时也会调用另外一个成员函数ChangeAllocator来修改Heap类的成员变量current_allocator_的值。
由于ART运行时只有一个Non-MovingSpace，因此后者的值就固定为kAllocatorTypeNonMoving。
Heap类的成员函数ChangeCollector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:
:
ChangeCollector（CollectorTypecollector_type）{
//TODO:
Onlydothiswithallmutatorssuspendedtoavoidraces.
if（collector_type!
=collector_type_）{
......
collector_type_=collector_type;
gc_plan_.clear（）;
switch（collector_type_）{
casekCollectorTypeCC:
//Fall-through.
casekCollectorTypeMC:
//Fall-through.
casekCollectorTypeSS:
//Fall-through.
casekCollectorTypeGSS:
{
gc_plan_.push_back（collector:
:
kGcTypeFull）;
if（use_tlab_）{
ChangeAllocator（kAllocatorTypeTLAB）;
}else{
ChangeAllocator（kAllocatorTypeBumpPointer）;
}
break;
}
casekCollectorTypeMS:
{
gc_plan_.push_back（collector:
:
kGcTypeSticky）;
gc_plan_.push_back（collector:
:
kGcTypePartial）;
gc_plan_.push_back（collector:
:
kGcTypeFull）;
ChangeAllocator（kUseRosAlloc?
kAllocatorTypeRosAlloc:
kAllocatorTypeDlMalloc）;
break;
}
casekCollectorTypeCMS:
{
gc_plan_.push_back（collector:
:
kGcTypeSticky）;
gc_plan_.push_back（collector:
:
kGcTypePartial）;
gc_plan_.push_back（collector:
:
kGcTypeFull）;
ChangeAllocator（kUseRosAlloc?
kAllocatorTypeRosAlloc:
kAllocatorTypeDlMalloc）;
break;
}
default:
{
LOG（FATAL）<<"Unimplemented";
}
}
......
}
}
这个函数定义在文件ime/gc/heap.cc中。
从这里我们就可以看到，对于CompactingGC，它们使用的分配器类型只可能为kAllocatorTypeTLAB或者kAllocatorTypeBumpPointer，取决定Heap类的成员变量use_tlab_的值。
Heap类的成员变量use_tlab_的值默认为false，但是可以通过ART运行时启动选项-XX:
UseTLAB来设置为true。
对于Mark-SweepGC来说，它们使用的分配器类型只可能为kAllocatorTypeRosAlloc或者kAllocatorTypeDlMalloc，取决于常量kUseRosAlloc的值。
此外，我们还可以看到，根据当前使用的GC不同，Heap类的成员变量gc_plan_会被设置为不同的值，用来表示在分配对象过程中遇到内存不足时，应该执行的GC粒度。
对于CompactingGC来说，只有一种GC粒度可执行，那就是kGcTypeFull，实际上就是说对BumpPointerSpace的所有不可达对象进行回收。
对于Mark-SweepGC来说，有三种GC粒度可执行，分别是kGcTypeSticky、kGcTypePartial和kGcTypeFull。
这三者的含义可以参考前面一文。
后面我们继续对象分配过程时，也可以看到Heap类的成员变量gc_plan_的用途。
Heap类的成员函数ChangeAllocator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:
:
ChangeAllocator（AllocatorTypeallocator）{
if（current_allocator_!
=allocator）{
......
current_allocator_=allocator;
MutexLockmu（nullptr,*Locks:
:
runtime_shutdown_lock_）;
SetQuickAllocEntryPointsAllocator（current_allocator_）;
......
}
}
这个函数定义在文件ime/gc/heap.cc中。
Heap类的成员函数ChangeAllocator除了设置成员变量current_allocator_的值之外，还会调用函数SetQuickAllocEntryPointsAllocator来修改提供给NativeCode的用来分配对象的入口点函数，以便NativeCode可以在ART运行时切换GC时使用正常的接口来分配对象。
这里所谓的NativeCode，就是APK在安装时通过翻译DEX字节码得到的本地机器指令。
了解了分配器的类型之后，接下来我们就继续分析Heap类的成员函数AllocObjectWithAllocator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
template
inlinemirror:
:
Object*Heap:
:
AllocObjectWithAllocator（Thread*self,mirror:
:
Class*klass,
size_tbyte_count,AllocatorTypeallocator,
constPreFenceVisitor&pre_fence_visitor）{
......
if（kCheckLargeObject&&UNLIKELY（ShouldAllocLargeObject（klass,byte_count）））{
returnAllocLargeObject（self,klass,byte_count,
pre_fence_visitor）;
}
mirror:
:
Object*obj;
......
if（allocator==kAllocatorTypeTLAB）{
byte_count=RoundUp（byte_count,space:
:
BumpPointerSpace:
:
kAlignment）;
}
if（allocator==kAllocatorTypeTLAB&&byte_count<=self->TlabSize（））{
obj=self->AllocTlab（byte_count）;
......
obj->SetClass（klass）;
......
pre_fence_visitor（obj,usable_size）;
......
}else{
obj=TryToAllocate（self,allocator,byte_count,&bytes_allocated,
&usable_size）;
if（UNLIKELY（obj==nullptr））{
boolis_current_allocator=allocator==GetCurrentAllocator（）;
obj=AllocateInternalWithGc（self,allocator,byte_count,&bytes_allocated,&usable_size,
&klass）;
if（obj==nullptr）{
boolafter_is_current_allocator=allocator==GetCurrentAllocator（）;
//Ifthereisapendingexception,failtheallocationrightawaysincethenextone
//couldcauseOOMandaborttheruntime.
if（!
self->IsExceptionPending（）&&is_current_allocator&&!
after_is_current_allocator）{
//Iftheallocatorchanged,weneedtorestarttheallocation.
returnAllocObject（self,klass,byte_count,pre_fence_visitor）;
}
returnnullptr;
}
}
......
obj->SetClass（klass）;
......
pre_fence_visitor（obj,usable_size）;
......
}
......
if（AllocatorHasAllocationStack（allocator））{
PushOnAllocationStack（self,&obj）;
}
......
if（AllocatorMayHaveConcurrentGC（allocator）&&IsGcConcurrent（））{
CheckConcurrentGC（self,new_num_bytes_allocated,&obj）;
}
......
returnobj;
}
这个函数定义在文件art/runtime/gc/heap-inl.h中。
Heap类的成员函数AllocObjectWithAllocator分配对象的主要逻辑如图2所示：
首先，如果模板参数kCheckLargeObject等于true，并且要分配的是一个原子类型数组，且该为数组的大小大于预先设置的值，那么忽略掉参数allocator，而是调用Heap类的另外一个成员函数AllocLargeObject直接在LargeObjectSpace中分配内存。
后一个条件是通过调用Heap类的成员函数ShouldAllocLargeObject来判断是否满足的，它的实现如下所示：
[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
inlineboolHeap:
:
ShouldAllocLargeObject（mirror:
:
Class*c,size_tbyte_count）const{
//Weneedtohaveazygotespaceorelseournewlyallocatedlargeobjectcanendupinthe
//Zygoteresultinginitbeingprematurelyfreed.
//Wecanonlydothisforprimitiveobjectssincelargeobjectswillnotbewithinthecardtable
//range.ThisalsomeansthatwerelyonSetClassnotdirtyingtheobject'scard.
returnbyte_count>=large_object_threshold_&&c->IsPrimitiveArray（）;
}
这个函数定义在文件art/runtime/gc/heap-inl.h中。
Heap类的成员变量large_object_threshold_初始化为kDefaultLargeObjectThreshold，后者又定义为3个内存页大小。
也就是说，当分配的原子类型数组大小大于等于3个内存页时，就在LargeObjectSpace中进行分配。
回到Heap类的成员AllocObjectWithAllocator中，如果指定了要在当前ART运行时线程的TLAB中分配对象，并且这时候当前ART运行时线程的TLAB的剩余大小大于请求分配的对象大小，那么就直接在当前线程的TLAB中分配。
ART运行时线程的TLAB实际上是来自于BumpPointerSpace上的，后面我们就可以看到这一点。
如果上面的条件都不成立，接下来就调用Heap类的成员函数TryToAllocate来进行分配了。
Heap类的成员函数TryToAllocate会根据参数allocator，在指定的Space分配内存，同时会根据第二个模板参数来决定
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