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GC垃圾回收

GC(全称 Garbage Collection),即垃圾回收。在计算机领域,GC是指识别并释放内存中的不再使用的对象,以回收内存空间。目前广泛使用的编程语言实现的GC算法主要分为两大类:引用计数和对象追踪(即Tracing GC)。

GC算法简述

[h2]GC的类型

引用计数

当对象B指向对象A时,A的引用计数加1;当该指向断开时,A的引用计数减1。如果A的引用计数为0,则回收对象A。

class Parent {
  constructor() {
    this.child = null;
  }
  child: Child | null = null;
}

class Child {
  constructor() {
    this.parent = null;
  }
  parent: Parent | null = null;
}

function main() {
  let parent: Parent = new Parent();
  let child: Child = new Child();
  parent.child = child;
  child.parent = parent;
}

在上述代码中,对象parent被对象child持有,parent的引用计数加1。同时,child也被parent持有,child的引用计数也会加1。这形成了循环引用,导致直到main函数结束,parent和child都无法释放,从而引发内存泄漏。

对象追踪

根对象包括程序运行中的栈内对象和全局对象等当前时刻一定存活的对象。从根对象开始,通过引用链可以访问到的所有对象(可达对象)也是存活的。通过遍历可以找到所有存活对象。如图所示,从根对象开始遍历,所有可达对象标记为蓝色,即为活对象。剩下的不可达对象标记为黄色,即为垃圾。

引用计数和对象追踪算法各有优劣。由于引用计数存在内存泄漏问题,ArkTS运行时选择基于对象追踪(即Tracing GC)算法设计GC。

[h2]对象追踪的三种类型

对象追踪算法通过遍历对象标记出垃圾,而根据垃圾回收方式的不同,对象追踪可以分为三种基本类型:标记-清扫回收、标记-复制回收、标记-整理回收。下图中蓝色标记为可达对象,黄色标记为不可达对象。

标记-清扫回收

完成对象图遍历后,删除不可达对象内容,并将其放入空闲队列,以便下次对象分配。

该回收方式不搬移对象,效率高。但回收对象内存地址不连续,导致内存碎片化,降低分配效率。极端情况下,即使有大量空闲内存,也可能无法放入较大对象。

标记-复制回收

遍历对象图时,将可达对象复制到新内存空间。遍历完成后,回收旧内存空间。

这种方式可以解决内存碎片问题,通过一次遍历完成整个GC过程,效率较高。但在极端情况下,需要预留一半内存空间以确保所有可达对象都可以被拷贝,这会导致空间利用率较低。

标记-整理回收

完成对象图遍历后,将可达对象(蓝色)复制到本区域或指定区域的头部空闲位置,然后将已复制的对象回收整理到空闲队列中。

[h2]HPP GC

HPP GC(High Performance Partial Garbage Collection),即高性能部分垃圾回收,其中“High Performance”主要体现在分代模型、混合算法和GC流程优化这三个方面。HPP GC根据不同对象区域采取不同的回收方式。

分代模型

ArkTS运行时采用传统的分代模型,将对象进行分类。大多数新分配的对象会在一次GC后被回收,而大多数经过多次GC后依然存活的对象会继续存活。ArkTS运行时将对象划分为年轻代和老年代对象,并分配到不同空间。

ArkTS运行时将新分配的对象直接分配到年轻代(YoungSpace,又称SemiSpace)的From空间。经过一次GC后依然存活的对象,会移动到To空间。经过再次GC后依然存活的对象,会被移动到老年代(OldSpace)。

混合算法

HPP GC是部分复制、部分整理和部分清扫的混合算法。根据年轻代和老年代对象特点,采取不同的回收方式。

考虑到年轻代对象生命周期短、回收频繁且大小有限,ArkTS运行时对年轻代对象采用“标记-复制回收”算法。

根据老年代对象的特点,引入启发式Collection Set(简称CSet)选择算法。该算法在标记阶段统计每个区域的存活对象大小,然后在回收阶段优先选择存活对象少、回收代价小的区域进行对象整理回收,再对剩余区域进行清扫回收。

回收策略如下:

启发式CSet选择算法结合了“标记-整理回收”和“标记-清扫回收”算法的优点,避免了内存碎片问题,同时提升了性能。

流程优化

HPP GC流程中引入了大量的并发和并行优化,以减少对应用性能的影响。采用了并发+并行标记(Marking)、并发+并行清扫(Sweep)、并行复制/整理(Evacuation)、并行回改(Update)和并发清理(Clear)执行GC任务。

GC流程

[h2]HPP GC的类型

Young GC

Old GC

Full GC

此后,Smart GC或Idle GC会从上述三种GC中选择。

[h2]触发策略

空间阈值触发GC

Native绑定大小达到阈值触发GC

切换后台触发GC

空闲时触发GC

[h2]执行策略

ConcurrentMark

YoungSpace GC前后的阈值调整

第一次Old GC后阈值的调整

第二次及以后的Old GC对OldSpace和GlobalSpace阈值调整,以及增长因子的调整

Partial Old GC的CSet 选择策略

Heap

Heap包含两种类型:LocalHeap和SharedHeap。LocalHeap是应用进程中每个ArkTS线程独有的虚拟机堆,SharedHeap是应用进程中所有ArkTS线程共享的虚拟机堆。

[h2]LocalHeap结构

每个空间由一个或多个Region进行分区域管理。Region是空间向内存分配器申请的单位。

[h2]LocalHeap相关参数

以下参数未提示可配置的均为不可配置项,由系统自行设定。

根据系统分配堆空间总大小64MB-128MB/128MB-256MB/大于256MB的三个范围,以下参数系统会设置不同的大小。如果表格内范围仅有一个值,则表示该参数值不随堆空间总大小变化。手机设备堆空间总大小默认为大于256MB。

开发者可以查阅@ohos.hidebug,使用相关接口查询内存信息。

堆大小相关参数

参数名 范围 作用
HeapSize 448MB 主线程默认堆空间总大小,小内存设备(如手表)会根据设备实际内存大小自动调整该堆空间大小。
SemiSpaceSize 2MB-4MB/2MB-8MB/2MB-16MB SemiSpace空间大小。
NonmovableSpaceSize 2MB/6MB/64MB NonmovableSpace空间大小。
SnapshotSpaceSize 512KB 快照空间大小。
MachineCodeSpaceSize 2MB 机器码空间大小。

Worker线程堆上限

参数名 范围 作用
HeapSize 768 MB Worker类型线程堆空间大小。

SemiSpace

Heap中生成两个SemiSpace,供复制使用。

参数名 范围 作用
semiSpaceSize 2MB-4MB/2MB-8MB/2MB-16MB SemiSpace空间大小,会根据堆总大小有不同的范围限制。
semiSpaceTriggerConcurrentMark 1MB/1.5MB/1.5MB 首次单独触发SemiSpace的并发标记的界限值,超过该值则触发。
semiSpaceStepOvershootSize 2MB 允许过冲最大大小。

OldSpace和HugeObjectSpace

初始化时均设定为Heap剩余未分配空间的大小,默认手机设备主线程OldSpaceSize上限接近350MB。

参数名 范围 作用
oldSpaceOvershootSize 4MB/8MB OldSpace允许过冲最大大小。

其他空间

参数名 范围 作用
defaultReadOnlySpaceSize 256KB ReadOnlySpace默认空间大小。
defaultNonMovableSpaceSize 2MB/6MB/64MB NonMovableSpace默认空间大小。
defaultSnapshotSpaceSize 512KB/4MB SnapshotSpace默认空间大小。
defaultMachineCodeSpaceSize 2MB/8MB MachineCodeSpace默认空间大小。

解释器栈大小

参数名 值 作用
maxStackSize 128KB 控制解释器栈的大小。

并发参数

参数名 值 作用
gcThreadNum 7 gc线程数量,默认为7。可通过gc-thread-num参数设置。
MIN_TASKPOOL_THREAD_NUM 3 线程池最小线程数。
MAX_TASKPOOL_THREAD_NUM 7 线程池最大线程数。

该线程池主要用于执行GC流程中的并发任务。线程池初始化时,会综合考虑gcThreadNum和线程数的上下限。如果gcThreadNum为负值,线程池的线程数将初始化为CPU核心数的一半。

其他参数

参数名 值 作用
minAllocLimitGrowingStep 2MB/4MB/8MB Heap整体重新计算空间大小限制时,此参数用于控制OldSpace、heapObject和globalNative的最小增长步长。
minGrowingStep 4MB/8MB/16MB 调整OldSpace的最小增长步长。
longPauseTime 40ms 判断是否为超长GC界限。超长GC会触发完整GC日志信息的打印,便于开发者定位和分析。可通过gc-long-paused-time进行配置。

[h2]SharedHeap结构

SharedHeap用于存储线程间共享对象,提高效率并节省内存。共享堆不单独属于任何线程,保存具有共享价值的对象,提高对象的存活率。

SharedHeap去除了SemiSpace类型,因为共享对象通常生命周期较长,不需要年轻代的复制算法。

每个空间由一个或多个Region进行分区域管理。Region是空间向内存分配器申请的单位。

[h2]SharedHeap相关参数

以下参数适用于手机等大内存设备,开发者可以通过getAllVMHeapMemoryInfo获取Shared堆内存信息。

SharedOldSpace和SharedHugeObjectSpace的阈值上限在共享堆初始化时均设定为SharedHeap剩余未分配空间的一半,手机设备默认分配的空间上限接近350MB,超过该值会发生内存溢出。

参数名 范围 作用
SharedHeapSize 778MB SharedHeap默认堆空间总大小。
SharedOldSpaceSize 约350MB SharedOldSpace空间容量。
SharedHugeObjectSpaceSize 约350MB SharedHugeObjectSpace空间容量。
SharedReadOnlySpaceSize 256KB SharedReadOnlySpace空间容量。
SharedNonMovableSpaceSize 64MB SharedNonMovableSpace空间容量。

特性

[h2]Smart GC

Smart GC是一种智能GC抑制机制,在冷启动场景和性能敏感场景中通过临时提高GC触发阈值来降低GC触发频率,避免因GC而导致应用掉帧,从而影响用户体验。

支持场景

注意事项

日志关键词

交互流程

日志解释

[h2]开启全量日志

默认情况下,详细的GC日志仅在GC耗时超过40毫秒时才会打印。若需开启所有GC日志,需使用命令在设备中开启。

使用样例:

# 设置开启GC全量日志参数,开启参数为0x905d,关闭GC全量日志,设置为默认值为0x105c
hdc shell param set persist.ark.properties 0x905d
# 重启生效
hdc shell reboot

[h2]典型日志

以下日志统计了GC完整执行后的信息,不同GC类型可能有所差异。在导出的日志文件中搜索关键词[gc]查看GC日志,或搜索关键词ArkCompiler查看更全面的虚拟机日志。

// GC前对象实际占用大小(Region实际占用大小)->GC后对象实际占用大小(Region实际占用大小),总耗时(+concurrentMark耗时),GC触发原因。
C03F00/ArkCompiler: [gc]  [ CompressGC ] 26.1164 (35) -> 7.10049 (10.5) MB, 160.626(+0)ms, Switch to background
// GC运行时的各种状态以及应用名称
C03F00/ArkCompiler: [gc] IsInBackground: 1; SensitiveStatus: 0; OnStartupEvent: 0; BundleName: com.example.demo;
// GC运行时的各阶段耗时统计
C03F00/ArkCompiler: [gc] /***************** GC Duration statistic: ****************/
C03F00/ArkCompiler: [gc] TotalGC:                 160.626 ms
C03F00/ArkCompiler: Initialize:              0.179   ms
C03F00/ArkCompiler: Mark:                    159.204 ms
C03F00/ArkCompiler: MarkRoots:               6.925   ms
C03F00/ArkCompiler: ProcessMarkStack:        158.99  ms
C03F00/ArkCompiler: Sweep:                   0.957   ms
C03F00/ArkCompiler: Finish:                  0.277   ms
// GC后各个部分占用的内存大小
C03F00/ArkCompiler: [gc] /****************** GC Memory statistic: *****************/
C03F00/ArkCompiler: [gc] AllSpaces        used:  7270.9KB     committed:   10752KB
C03F00/ArkCompiler: ActiveSemiSpace  used:       0KB     committed:     256KB
C03F00/ArkCompiler: OldSpace         used:  4966.9KB     committed:    5888KB
C03F00/ArkCompiler: HugeObjectSpace  used:    2304KB     committed:    2304KB
C03F00/ArkCompiler: NonMovableSpace  used:       0KB     committed:    2304KB
C03F00/ArkCompiler: MachineCodeSpace used:       0KB     committed:       0KB
C03F00/ArkCompiler: HugeMachineCodeSpace used:       0KB     committed:       0KB
C03F00/ArkCompiler: SnapshotSpace    used:       0KB     committed:       0KB
C03F00/ArkCompiler: AppSpawnSpace    used: 4736.34KB     committed:    4864KB
C03F00/ArkCompiler: [gc] Anno memory usage size:  45      MB
C03F00/ArkCompiler: Native memory usage size:2.99652 MB
C03F00/ArkCompiler: NativeBindingSize:       0.577148KB
C03F00/ArkCompiler: ArrayBufferNativeSize:   0.0117188KB
C03F00/ArkCompiler: RegExpByteCodeNativeSize:0.280273KB
C03F00/ArkCompiler: ChunkNativeSize:         19096   KB
C03F00/ArkCompiler: [gc] Heap alive rate:         0.202871
// 该虚拟机的此类型GC的整体统计
C03F00/ArkCompiler: [gc] /***************** GC summary statistic: *****************/
C03F00/ArkCompiler: [gc] CompressGC occurs count  6
C03F00/ArkCompiler: CompressGC max pause:    2672.33 ms
C03F00/ArkCompiler: CompressGC min pause:    160.626 ms
C03F00/ArkCompiler: CompressGC average pause:1076.06 ms
C03F00/ArkCompiler: Heap average alive rate: 0.635325

GC开发者调试接口

以下接口仅供调试使用,非正式对外SDK接口,不应在应用正式版本中使用。

[h2]ArkTools.hintGC()

使用参考:

// 首先需要声明接口
declare class ArkTools {
  static hintGC(): void;
}

@Entry
@Component
struct Index {
  @State message: string = 'Hello World';

  build() {
    Row() {
      Column() {
        Text(this.message)
          .fontSize(50)
          .fontWeight(FontWeight.Bold)
        Button('触发HintGC').onClick((event: ClickEvent) => {
          ArkTools.hintGC(); // 方法内直接调用
          this.message = 'Success';
        })
      }
      .width('100%')
    }
    .height('100%')
  }
}

GC常见问题

[h2]GC稳定性问题排查指导

GC稳定性问题主要由两种异常引起:一是非法多线程操作导致的对象异常,二是内存访问错误导致的指针异常。这两种问题在GC任务中通常表现为堆栈中的地址访问异常。

可以通过线程名称和堆栈中的方法来识别GC任务:OS_GC_Thread线程主要执行GC任务和PGO相关任务(采集型任务);或者通过堆栈中包含GCTask等关键词识别GC任务。GC任务上报地址异常类型的崩溃时,开发者应首先排查非法多线程问题和内存访问问题。

以下示例列举部分情况,实际问题上报的地址异常类型多样,不再赘述。

对象异常问题常见堆栈信息:

0xffff000000000048 是对象的异常偏移地址。

Reason:Signal:SIGSEGV(SEGV_MAPERR)@0xffff000000000048
Fault thread info:
Tid:6490, Name:OS_GC_Thread
#00 pc 0000000000507310 /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(panda::ecmascript::JSHClass::SizeFromJSHClass(panda::ecmascript::TaggedObject*)+0)(a3d1ba664de66d31faed07d711ee1299)
#01 pc 0000000000521f94 /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(panda::ecmascript::CompressGCMarker::EvacuateObject(unsigned int, panda::ecmascript::TaggedObject*, panda::ecmascript::MarkWord const&, panda::ecmascript::ObjectSlot)+80)(a3d1ba664de66d31faed07d711ee1299)
#02 pc 0000000000521ee4 /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(panda::ecmascript::CompressGCMarker::MarkObject(unsigned int, panda::ecmascript::TaggedObject*, panda::ecmascript::ObjectSlot)+372)(a3d1ba664de66d31faed07d711ee1299)
#03 pc 0000000000523e40 /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(a3d1ba664de66d31faed07d711ee1299)
#04 pc 0000000000516d74 /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(a3d1ba664de66d31faed07d711ee1299)
#05 pc 00000000005206d4 /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(panda::ecmascript::CompressGCMarker::ProcessMarkStack(unsigned int)+160)(a3d1ba664de66d31faed07d711ee1299)
#06 pc 000000000050460c /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(panda::ecmascript::Heap::ParallelGCTask::Run(unsigned int)+228)(a3d1ba664de66d31faed07d711ee1299)
#07 pc 000000000064f648 /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(panda::ecmascript::Runner::Run(unsigned int)+188)(a3d1ba664de66d31faed07d711ee1299)
#08 pc 000000000064f718 /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(a3d1ba664de66d31faed07d711ee1299)
#09 pc 00000000001ba6b8 /system/lib/ld-musl-aarch64.so.1(start+236)(8102fa8a64ba5e1e9f2257469d3fb251)

指针异常问题常见堆栈信息:

0x000056c2fffc0008 指针出现异常,指针映射出错。

Reason:Signal:SIGSEGV(SEGV_MAPERR)@0x000056c2fffc0008
Fault thread info:
Tid:2936, Name:OS_GC_Thread
#00 pc 00000000004d2ec0 /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(733f61d2f51e825872484cc344970fe5)
#01 pc 00000000004c6cac /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(733f61d2f51e825872484cc344970fe5)
#02 pc 00000000004cd180 /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(panda::ecmascript::NonMovableMarker::ProcessMarkStack(unsigned int)+256)(733f61d2f51e825872484cc344970fe5)
#03 pc 000000000049d108 /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(panda::ecmascript::ConcurrentMarker::ProcessConcurrentMarkTask(unsigned int)+52)(733f61d2f51e825872484cc344970fe5)
#04 pc 00000000004b6620 /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(panda::ecmascript::Heap::ParallelGCTask::Run(unsigned int)+236)(733f61d2f51e825872484cc344970fe5)
#05 pc 00000000005d6e60 /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(panda::ecmascript::Runner::Run(unsigned int)+168)(733f61d2f51e825872484cc344970fe5)
#06 pc 00000000005d6f30 /system/lib64/platformsdk/libark_jsruntime.so(733f61d2f51e825872484cc344970fe5)
#07 pc 00000000001bdb84 /system/lib/ld-musl-aarch64.so.1(start+236)(e65f5c83306cf9c7dd4643794946ab9f)