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[操作系统]Dalvik 堆内存管理与回收


  Dalvik虚拟机用来分配对象的堆划分为两部分,一部分叫做Active Heap,另一部分叫做Zygote Heap。下面基于管理机制来介绍为何分配为这两部分,以及堆内存的管理。

  我们从Android系统启动说起。

  Android系统启动后,会有一个Zygote进程创建第一个Dalvik虚拟机,它只维护了一个堆。以后启动的所有应用程序进程是被Zygote进程fork出来的,并都持有一个自己的Dalvik虚拟机。在创建应用程序的过程中,Dalvik虚拟机采用COW策略复制Zygote进程的地址空间。

  COW策略:一开始的时候(未复制Zygote进程的地址空间的时候),应用程序进程和Zygote进程共享了同一个用来分配对象的堆。当Zygote进程或者应用程序进程对该堆进行写操作时,内核就会执行真正的拷贝操作,使得Zygote进程和应用程序进程分别拥有自己的一份拷贝,这就是所谓的COW。因为copy是十分耗时的,所以必须尽量避免copy或者尽量少的copy。

  为了实现这个目的,当创建第一个应用程序进程时,会将已经使用了的那部分堆内存划分为一部分,还没有使用的堆内存划分为另外一部分。前者就称为Zygote堆,后者就称为Active堆。这样只需把zygote堆中的内容复制给应用程序进程就可以了。以后无论是Zygote进程,还是应用程序进程,当它们需要分配对象的时候,都在Active堆上进行。这样就可以使得Zygote堆尽可能少地被执行写操作,因而就可以减少执行写时拷贝的操作。在Zygote堆里面分配的对象其实主要就是Zygote进程在启动过程中预加载的类、资源和对象了。这意味着这些预加载的类、资源和对象可以在Zygote进程和应用程序进程中做到长期共享。这样既能减少拷贝操作,还能减少对内存的需求。

  类似于JVM,Dalvik虚拟机也需要负责对堆内存中的对象进行管理工作,它使用的也是标记清除算法,但是细节上略有区别。

  Mark-Sweep算法分为两个阶段:

  • Mark阶段:通过递归对象的引用,从对象的根集开始标记被引用的对象。
  • Sweep阶段:回收没有被标记的对象占用的内存。

  Dalvik虚拟机通过Heap Bitmap来标记标记对象有没有被引用。所谓Heap Bitmap就是一个unsigned long数组,如果一个对象被引用,那么在Bitmap中与它对应的那一位就会被设置为1。否则的话,就设置为0。Dalvik使用了两个Bitmap来描述堆的对象,一个称为Live Bitmap,另一个称为Mark Bitmap。Live Bitmap用来标记上一次GC时被引用的对象,也就是没有被回收的对象,而Mark Bitmap用来标记当前GC有被引用的对象。这样只需要回收上一次被引用,当前未被引用的对象就可以了。

  在垃圾收集的Mark阶段,要求除了垃圾收集线程之外,其它的线程都停止(Stop The World),否则如果对象在GC过程中又引用了其他对象,就会可能导致不能正确地标记每一个对象。然而,这将造成程序卡顿,效率降低。所以必须允许在Mark阶段使垃圾回收线程和其他线程可以并发执行(Concurrent GC)。

为了实现此目的,Dalvik将Mark阶段划分为两步:

  •   第一步,只标记根集对象,即在GC过程开始的时刻,那些被全局变量,栈变量,寄存器对象引用的对象。这个阶段只允许GC线程运行,防止这些根集对象在这个过程中再去引用其他对象。
  •   第二步,通过这些根集对象引用关系,可以找到并标记其他正在使用的对象。这个阶段可以允许其他线程与GC线程并发执行。为了实现GC线程与其他线程并发,需要把其他线程对对象的修改记录下来,记录这些修改的数据结构被称为Card Table。

  Dalvik虚拟机进行部分垃圾收集时,实际上就是只收集在Active堆上分配的对象。因此对Dalvik虚拟机来说,Card Table就是用来记录在Zygote堆上分配的对象在部收垃圾收集执行过程中对在Active堆上分配的对象的引用。

  与Bitmap不同,Card Table中每个card大小为一个字节,如果与它对应的对象在第二步未被修改过,其值为clean,否则为dirty。对于被修改过的对象,在第二步结束后需要重新使用GC线程排他地对这些对象进行标记。由于这些对象不是很多所以这个过程很快,这也是分两步的原因。