ART GC 的核心

1. 分代假说与 ART 堆的精细化管理：Spaces

这是现代 GC 的基石理论，它基于一个简单的观察：绝大多数对象都是“朝生夕死”的。ART 不仅实现了分代，更是将堆内存划分成了多种不同生命周期和用途的 Space，并为它们配置了不同的GC策略 (GcRetentionPolicy)。

  • Image Space: kGcRetentionPolicyNeverCollect
    • 存放预加载的类和对象（来自 boot.oat）。这部分内存在 Zygote 启动时加载，所有 App 进程共享，并且是只读的。因此，它永远不会被GC。
  • Zygote Space: kGcRetentionPolicyFullCollect
    • 存放 Zygote 进程创建的对象和类。App 进程通过写时复制（Copy-on-Write）的方式共享这部分内存。它通常在 App 进程中不会被回收，但在 Zygote 自身或进行堆整理时可能被处理。
  • Alloc Space (Bump Pointer Space): kGcRetentionPolicyAlwaysCollect
    • 这就是我们通常意义上的“Java堆”，是 App 分配对象的主要场所，也是 GC 最活跃的区域。它是一个“移动空间”（Moving Space），内部的对象在GC时会被移动以消除碎片。ART 的分代策略主要在这里实现：
      • 年轻代 (Young Generation)：通过 TLABs 在此空间上实现。新对象在这里分配。针对该区域的 Minor GC 采用高效的半区复制算法，非常频繁和快速。
      • 老年代 (Old Generation)：存活过数轮 Minor GC 的对象会被提升（逻辑上）到老年代。当老年代空间紧张时，会触发一次 Major GC，采用并发标记整理算法。
  • Large Object Space (LOS): kGcRetentionPolicyAlwaysCollect
    • 专门用于存放超过一定大小的大对象，通常是大的原生数组。每个大对象都独占一个或多个内存页。LOS 不进行整理，而是采用标记-清除（Mark-Sweep）算法。
  • Non-Moving Space: kGcRetentionPolicyAlwaysCollect
    • 一个特殊的空间，用于存放一些不希望被移动的对象，比如 art::mirror::Class 对象本身。这可以简化一些 VM 的内部实现。它同样采用标记-清除策略。

2. 三色标记法 (Tri-Color Abstraction)

为了在应用运行时并发地找出存活对象，ART（以及许多其他现代 GC）在概念上使用了三色标记法来追踪对象的状态：

  • 白色 (White)：对象初始状态，表示尚未被 GC 访问，是潜在的垃圾。
  • 灰色 (Gray)：对象本身已被标记为存活，但它引用的其他对象（它的“孩子”）还没有被扫描。灰色对象是 GC 的工作集。
  • 黑色 (Black)：对象本身和它引用的所有对象都已被扫描并标记为存活。

GC 的并发标记过程，就是从根（Roots）对象开始，将它们从白色变为灰色，然后不断从灰色集合中取出对象，将其引用的白色对象变为灰色，最后将自身变为黑色。当不再有灰色对象时，标记阶段结束，所有剩余的白色对象就是可以回收的垃圾。

3. 并发与分代GC的“记忆”：Card Table, Mod-Union Table 与 Remembered Set

并发标记和分代回收有一个共同的难题：如何追踪跨区域的指针变化？

  • 并发标记：需要知道应用线程在并发期间修改了哪些对象的引用。
  • 分代回收 (Minor GC)：需要知道老年代中有哪些对象引用了年轻代的对象，否则就必须扫描整个老年代来保证年轻代回收的正确性，这违背了分代的初衷。

ART 通过一套层层递进的数据结构来高效地解决这个问题。

  • Card Table (卡表) - 底层基础
    • 是什么：一个字节数组，将整个堆（尤其是老年代）划分为许多个小的“卡片”，卡表中的每个字节对应一个卡片。
    • 怎么工作：ART 通过写屏障 (Write Barrier) 技术，在每次写操作 (a.field = b) 发生时，将对象 a 所在卡片对应的字节标记为“脏” (Dirty)。
    • 特点：非常快速和轻量。但它只提供了粗粒度的信息：“这里有指针被修改了”，但不知道是哪个指针，也不知道指向了哪里。
  • Remembered Set (记忆集) - 抽象概念
    • 是什么：一个逻辑上的集合，精确地记录了所有从老年代指向年轻代的引用。
    • 怎么工作：在进行 Minor GC 时，GC 只需要将线程栈等根和 Remembered Set 中记录的对象作为扫描的起点，就能找到所有在年轻代中的存活对象，无需扫描整个老年代。
  • Mod-Union Table
    • 是什么：ART 中针对 Zygote Space 和 Image Space 的一种 Remembered Set 的具体实现。
    • 怎么工作： 1. 当 Zygote/Image Space（属于老年代）中的一个对象引用了 Alloc Space（年轻代）中的对象时，写屏障触发，其所在的 Card Table 条目被标记为“脏”。 2. ModUnionTable 会在合适的时机（如 GC 工作的某个阶段）去处理这些脏卡。它会精确地扫描脏卡覆盖的内存区域，找出其中具体的、从老年代指向年轻代的指针。 3. 然后将这些指针信息记录在一个更紧凑、更精确的列表中。
    • 关系总结：写屏障是行为，Card Table 是粗粒度的记录，Mod-Union Table 负责将粗粒度的“脏卡”信息提炼成精确的 Remembered Set，最终服务于高效的 Minor GC。

4. 线程本地分配缓冲 (Thread-Local Allocation Buffers - TLABs)

在多线程环境中，如果所有线程都在同一个内存空间上分配对象，就需要加锁来避免冲突，这会成为性能瓶颈。

TLABs 是一种巧妙的优化：ART 会为每个应用线程在 Alloc Space 中分配一小块专属的内存区域。线程可以在自己的 TLAB 中通过简单的指针碰撞 (Bump-Pointer) 方式来分配对象，这个过程无需任何加锁，速度极快。只有当一个线程的 TLAB 用完后，才需要加锁去申请一块新的 TLAB。这项技术极大地提升了并发场景下的对象分配吞吐量。

Table of contents