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Art 虛擬機(jī)系列Heap內(nèi)存模型分配策略詳解

 更新時(shí)間:2023年03月27日 10:10:59   作者:Pika  
這篇文章主要為大家介紹了Art 虛擬機(jī)系列Heap內(nèi)存模型分配策略詳解,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進(jìn)步,早日升職加薪

背景

隨著性能優(yōu)化逐步進(jìn)入深水區(qū),我們發(fā)現(xiàn)很多大廠的方案,其實(shí)都建立在對正常虛擬機(jī)運(yùn)行過程中Hook的基礎(chǔ)上,建立自己的優(yōu)化方案。因此,只有了解了art虛擬機(jī)的運(yùn)行機(jī)制,才能真正去實(shí)施一些特殊的“魔改”方案。因?yàn)閍rt代碼非常龐大,我們會從很多的方面去了解他。本片是Heap 模型的第一篇。

內(nèi)存分配

當(dāng)我們在java層 new 一個(gè)對象的時(shí)候,由于有虛擬機(jī)的存在,我們開發(fā)者不用了解任何相關(guān)的內(nèi)存分配細(xì)節(jié),就能夠完成一次內(nèi)存的分配。那么,art虛擬機(jī)究竟是怎么幫助我們進(jìn)行內(nèi)存分配的,其實(shí)得益于art虛擬機(jī)抽象的以下分配類

我們從上圖可以看到,art把內(nèi)存分配相關(guān)的模型策略,分為了6層

第一層

分為了Space與AllocSpace兩個(gè)類,他們都是一個(gè)虛類,即需要子類去實(shí)現(xiàn)virtual修飾的方法,比如我們看到Space類定義

class Space {
 public:
  // Dump space. Also key method for C++ vtables.
  virtual void Dump(std::ostream& os) const;

Space代表一塊內(nèi)存空間,AllocSpace代表一塊可用于內(nèi)存分配的空間,AllocSpace則提供了內(nèi)存分配與釋放相關(guān)的虛函數(shù),Alloc,F(xiàn)ree,由特定的子類去實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的策略。

class AllocSpace {
 public:
  virtual mirror::Object* Alloc(Thread* self, size_t num_bytes, size_t* bytes_allocated,
                                size_t* usable_size, size_t* bytes_tl_bulk_allocated) = 0;
  virtual size_t Free(Thread* self, mirror::Object* ptr) = 0;

再回過頭我們看到上面的類圖,我們就會發(fā)現(xiàn)子類中的ImageSpace是沒有繼承于AllocSpace,這就意味著,它其實(shí)是沒有實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的Alloc與Free相關(guān)的函數(shù),因此,我們常說的GC機(jī)制,其實(shí)是不會作用在這塊內(nèi)存空間上面的!非常有趣!我們下文會繼續(xù)講到,這跟art劃分的內(nèi)存模型有很大關(guān)系

第二層

第二層是ContinuousSpace與DiscontinuousSpace兩個(gè)類,這兩個(gè)類的職責(zé)非常簡單,前者就是代表了該內(nèi)存空間是連續(xù)的,后者是非連續(xù)。

劃分為連續(xù)與非連續(xù),其實(shí)更大的作用是在GC過程中相關(guān)的內(nèi)存整理,非連續(xù)的空間有更簡單的分配方式

第三層

MemMapSpace 與 LargeObjectSpace是第三層,在這里,已經(jīng)開始根據(jù)外部所需要的空間的大小,進(jìn)行了不同的空間劃分。比如當(dāng)分配的內(nèi)存屬于java對象String或者是基礎(chǔ)類型的數(shù)組,且內(nèi)存超過3個(gè)內(nèi)存頁(Heap 構(gòu)造時(shí)我們會講到,一般是12kb)的時(shí)候,就會把資源分配到LargeObject內(nèi)存空間里面,其他的就分配在MemMapSpace

第四層

到了第四層,我們出現(xiàn)了第一個(gè)非常重要的內(nèi)存分配空間,ImageSpcace,ImageSpace用于.art文件的加載,我們知道應(yīng)用可以在預(yù)編譯的時(shí)候,生成.art文件,還有就是一些系統(tǒng)類,比如boot.art,這些art文件在內(nèi)存中的表現(xiàn),其實(shí)就放在了ImageSpace中。同時(shí)我們也講到,ImageSpace沒有繼承AllocSpace,這也就意味著,它不會對外提供分配與釋放策略,因此該內(nèi)存中,也不會被GC所影響?。梢园巡糠謫?dòng)類放在這里,達(dá)到GC抑制的效果)而另外的ContinuousMemMapAllocSpace,將由它的子類去實(shí)現(xiàn)常見的內(nèi)存分配策略。

第五、六層

五六層就是具體的art內(nèi)存分配策略了,包括了BumpPointerSpace,ZygoteSpace,RegionSpace,RosAllocSpace,DlMallocSpace,它們都有自己特有的內(nèi)存分配策略,這些策略被應(yīng)用在不同的各個(gè)地方(主要由GC策略選擇不同的內(nèi)存分配策略)。下面我們按裝順序介紹一下這幾種內(nèi)存分配策略

內(nèi)存分配策略

BumpPointerSpace

BumpPointerSpace其實(shí)分配思想很簡單,就是順序分配,比如我第一次分配分配10kb內(nèi)存,下一次再分配xxkb

BumpPointerSpace::BumpPointerSpace(const std::string& name, uint8_t* begin, uint8_t* limit)
    : ContinuousMemMapAllocSpace(name,
                                 MemMap::Invalid(),
                                 begin,
                                 begin,
                                 limit,
                                 kGcRetentionPolicyAlwaysCollect),
      growth_end_(limit), 資源的尾部,
      objects_allocated_(0), 當(dāng)前有多少個(gè)mirrorobject
      bytes_allocated_(0), 分配的內(nèi)存大小
      block_lock_("Block lock"),
      main_block_size_(0) {
  // This constructor gets called only from Heap::PreZygoteFork(), which
  // doesn't require a mark_bitmap.
}

因?yàn)槭琼樞蚍峙?,因此我們只需記錄一個(gè)尾部end地址(已分配的最后一個(gè)地址尾部),就能在下次分配直接找到分配的開始地址,非常簡單,這里就不詳細(xì)說分配過程,可以參考分配源碼

ZygoteSpace

ZygoteSpace本身沒有創(chuàng)建相關(guān)的內(nèi)存資源,而是通過外部傳入的MemMap對象,作為內(nèi)存資源,自身只是起到了一個(gè)管理作用

ZygoteSpace* ZygoteSpace::Create(const std::string& name,
                                 MemMap&& mem_map,
                                 accounting::ContinuousSpaceBitmap&& live_bitmap,
                                 accounting::ContinuousSpaceBitmap&& mark_bitmap) {
  DCHECK(live_bitmap.IsValid());
  DCHECK(mark_bitmap.IsValid());
  size_t objects_allocated = 0;
  CountObjectsAllocated visitor(&objects_allocated);
  ReaderMutexLock mu(Thread::Current(), *Locks::heap_bitmap_lock_);
  live_bitmap.VisitMarkedRange(reinterpret_cast<uintptr_t>(mem_map.Begin()),
                               reinterpret_cast<uintptr_t>(mem_map.End()), visitor);
  ZygoteSpace* zygote_space = new ZygoteSpace(name, std::move(mem_map), objects_allocated);
  zygote_space->live_bitmap_ = std::move(live_bitmap);
  zygote_space->mark_bitmap_ = std::move(mark_bitmap);
  return zygote_space;
}

ZygoteSpace在art有特殊的含義,就是該內(nèi)存空間是繼承自Zygote進(jìn)程的資源存放地,雖然它繼承自AllocSpace,但是它的分配實(shí)現(xiàn)Alloc/Free,是不起作用的

mirror::Object* ZygoteSpace::Alloc(Thread*, size_t, size_t*, size_t*, size_t*) {
  UNIMPLEMENTED(FATAL);
  UNREACHABLE();
}

它作為一塊帶有“含義”的內(nèi)存資源而存在,同時(shí)它不同于ImageSpace,ImageSpace存放的是系統(tǒng)資源內(nèi)存,不會發(fā)生GC操作。而ZygoteSpace會在FullGC的時(shí)候,進(jìn)行GC的操作。因?yàn)閬碜訸ygote進(jìn)程的內(nèi)存,還是有回收的空間

RegionSpace

RegionSpace,其實(shí)是把內(nèi)存資源通過劃分的思想,把內(nèi)存劃分成一個(gè)個(gè)固定大小的Region而得名,相當(dāng)于內(nèi)存空間被劃分多個(gè)內(nèi)存塊,進(jìn)行內(nèi)存分配時(shí),在內(nèi)存塊分配即可。

RegionSpace::RegionSpace(const std::string& name, MemMap&& mem_map, bool use_generational_cc)
    : ContinuousMemMapAllocSpace(name,
                                 std::move(mem_map),
                                 mem_map.Begin(),
                                 mem_map.End(),
                                 mem_map.End(),
                                 kGcRetentionPolicyAlwaysCollect),
      region_lock_("Region lock", kRegionSpaceRegionLock),
      use_generational_cc_(use_generational_cc),
      time_(1U),
      num_regions_(mem_map_.Size() / kRegionSize),
      madvise_time_(0U),
      num_non_free_regions_(0U),
      num_evac_regions_(0U),
      max_peak_num_non_free_regions_(0U),
      non_free_region_index_limit_(0U),
      current_region_(&full_region_),
      evac_region_(nullptr),
      cyclic_alloc_region_index_(0U) {
  CHECK_ALIGNED(mem_map_.Size(), kRegionSize);
  CHECK_ALIGNED(mem_map_.Begin(), kRegionSize);
  DCHECK_GT(num_regions_, 0U);
  num_regions_ 個(gè)Region空間
  regions_.reset(new Region[num_regions_]);
  uint8_t* region_addr = mem_map_.Begin();
  for (size_t i = 0; i < num_regions_; ++i, region_addr += kRegionSize) {
    regions_[i].Init(i, region_addr, region_addr + kRegionSize);
  }
  mark_bitmap_ =
      accounting::ContinuousSpaceBitmap::Create("region space live bitmap", Begin(), Capacity());
  if (kIsDebugBuild) {
    CHECK_EQ(regions_[0].Begin(), Begin());
    for (size_t i = 0; i < num_regions_; ++i) {
      CHECK(regions_[i].IsFree());
      CHECK_EQ(static_cast<size_t>(regions_[i].End() - regions_[i].Begin()), kRegionSize);
      if (i + 1 < num_regions_) {
        CHECK_EQ(regions_[i].End(), regions_[i + 1].Begin());
      }
    }
    CHECK_EQ(regions_[num_regions_ - 1].End(), Limit());
  }
  DCHECK(!full_region_.IsFree());
  DCHECK(full_region_.IsAllocated());
  size_t ignored;
  DCHECK(full_region_.Alloc(kAlignment, &ignored, nullptr, &ignored) == nullptr);
  // Protect the whole region space from the start.
  Protect();
}

其中分配會采取內(nèi)存對其,由屬性kRegionSize決定(每個(gè)Region默認(rèn)1m)

因?yàn)槌橄蟪鰜硪粋€(gè)個(gè)Region,我們能夠隨心的去分配想要的內(nèi)存,不局限內(nèi)存本身是否是連續(xù)的,同時(shí)因?yàn)槊總€(gè)內(nèi)存塊當(dāng)前的狀態(tài)不同(比如,有的已經(jīng)分配了,有的沒有),因此每個(gè)Region本身還對應(yīng)一個(gè)狀態(tài)RegionState

 enum class RegionState : uint8_t {
    kRegionStateFree,            該Region沒有內(nèi)存分配
    kRegionStateAllocated,       內(nèi)存塊已分配
    kRegionStateLarge,           大對象Region,比如4m的大對象(那么就需要4個(gè)Region),其中第一塊Region狀態(tài)為kRegionStateLarge,其他就是kRegionStateLargeTail
    kRegionStateLargeTail,       如上
  };

RegionSpace本身還定義著很多toSpace,fromSpace的操作,其實(shí)它就是Copying Collection(拷貝垃圾回收機(jī)制)的內(nèi)存分配模型。然后android默認(rèn)的垃圾回收機(jī)制,前臺是CMS,后臺是HSC,因此,RegionSpace能被發(fā)揮作用的地方其實(shí)還算是有點(diǎn)局限,除非你指定了Copying Collection垃圾回收機(jī)制

DlmallocSpace 與 RosAllocSpace

我們從上文的類圖可以看到DlmallocSpace與RosAllocSpace ,都是MallocSpace的子類,而我們的Heap里面,其實(shí)只有MallocSpace對象,具體選擇實(shí)現(xiàn)的子類是DlmallocSpace還是RosAllocSpace,其實(shí)由kUseRosAlloc決定,默認(rèn)是使用RosAllocSpace。

 space::MallocSpace* Heap::CreateMallocSpaceFromMemMap(MemMap&& mem_map,
                                                      size_t initial_size,
                                                      size_t growth_limit,
                                                      size_t capacity,
                                                      const char* name,
                                                      bool can_move_objects) {
  space::MallocSpace* malloc_space = nullptr;
  if (kUseRosAlloc) {
    // Create rosalloc space.
    malloc_space = space::RosAllocSpace::CreateFromMemMap(std::move(mem_map),
                                                          name,
                                                          kDefaultStartingSize,
                                                          initial_size,
                                                          growth_limit,
                                                          capacity,
                                                          low_memory_mode_,
                                                          can_move_objects);
  } else {
    malloc_space = space::DlMallocSpace::CreateFromMemMap(std::move(mem_map),
                                                          name,
                                                          kDefaultStartingSize,
                                                          initial_size,
                                                          growth_limit,
                                                          capacity,
                                                          can_move_objects);
  }
  if (collector::SemiSpace::kUseRememberedSet) {
    accounting::RememberedSet* rem_set  =
        new accounting::RememberedSet(std::string(name) + " remembered set", this, malloc_space);
    CHECK(rem_set != nullptr) << "Failed to create main space remembered set";
    AddRememberedSet(rem_set);
  }
  CHECK(malloc_space != nullptr) << "Failed to create " << name;
  malloc_space->SetFootprintLimit(malloc_space->Capacity());
  return malloc_space;
}

DlmallocSpace與RosAllocSpace兩者不同點(diǎn)就在于,實(shí)現(xiàn)的機(jī)制不一樣,DlmallocSpace采用的是dlmalloc內(nèi)存分配管理模型,它是一個(gè)開源庫,也是c語音malloc調(diào)用的具體實(shí)現(xiàn)。dlmalloc內(nèi)存機(jī)制如下(其實(shí)就是malloc的機(jī)制)

而RosAllocSpace,采用的是谷歌自己的內(nèi)存分配rosalloc完成,具體實(shí)現(xiàn)機(jī)制如下

rosalloc是一種動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存算法,專門為了art虛擬機(jī)做了適配,其實(shí)它是一種多粒度內(nèi)存分配算法,ros的意思就是run of slot,可以理解為一個(gè)run是RosAllocSpace中內(nèi)存分配的單元,每個(gè)Run有自己的內(nèi)存分配粒度(slot)

比如Run1 中代表可分配10kb為單位的內(nèi)存,Run2則代表可分配1M為單位的內(nèi)存,具體的內(nèi)存由slot決定。

更加具體的分配細(xì)節(jié),可以在這里看到,我們就不深入細(xì)節(jié),有個(gè)概念就好。

LargeObjectSpace

它的創(chuàng)建過程很簡單,就是初始化num_bytes_allocated_等分配的參數(shù)

LargeObjectSpace::LargeObjectSpace(const std::string& name, uint8_t* begin, uint8_t* end,
                                   const char* lock_name)
    : DiscontinuousSpace(name, kGcRetentionPolicyAlwaysCollect),
      lock_(lock_name, kAllocSpaceLock),
      num_bytes_allocated_(0), num_objects_allocated_(0), total_bytes_allocated_(0),
      total_objects_allocated_(0), begin_(begin), end_(end) {
}

不知道大家有沒有發(fā)現(xiàn),LargeObjectSpace跟其他Space不一樣,它繼承于DiscontinuousSpace,意味著它的分配是不連續(xù)的,我們看一下它的分配過程就理解了

mirror::Object* LargeObjectMapSpace::Alloc(Thread* self, size_t num_bytes,
                                           size_t* bytes_allocated, size_t* usable_size,
                                           size_t* bytes_tl_bulk_allocated) {
  std::string error_msg;
  每次都調(diào)用MapAnonymous,其實(shí)它最終調(diào)用的就是mmap
  MemMap mem_map = MemMap::MapAnonymous("large object space allocation",
                                        num_bytes,
                                        PROT_READ | PROT_WRITE,
                                        /*low_4gb=*/ true,
                                        &error_msg);
  if (UNLIKELY(!mem_map.IsValid())) {
    LOG(WARNING) << "Large object allocation failed: " << error_msg;
    return nullptr;
  }
  mirror::Object* const obj = reinterpret_cast<mirror::Object*>(mem_map.Begin());
  const size_t allocation_size = mem_map.BaseSize();
  MutexLock mu(self, lock_);
  large_objects_.Put(obj, LargeObject {std::move(mem_map), false /* not zygote */});
  DCHECK(bytes_allocated != nullptr);
  if (begin_ == nullptr || begin_ > reinterpret_cast<uint8_t*>(obj)) {
    begin_ = reinterpret_cast<uint8_t*>(obj);
  }
  end_ = std::max(end_, reinterpret_cast<uint8_t*>(obj) + allocation_size);
  *bytes_allocated = allocation_size;
  if (usable_size != nullptr) {
    *usable_size = allocation_size;
  }
  DCHECK(bytes_tl_bulk_allocated != nullptr);
  *bytes_tl_bulk_allocated = allocation_size;
  num_bytes_allocated_ += allocation_size;
  total_bytes_allocated_ += allocation_size;
  ++num_objects_allocated_;
  ++total_objects_allocated_;
  return obj;
}

可以看到,分配的時(shí)候,其實(shí)每次都是采用mmap去分配內(nèi)存空間,而LargeObjectMapSpace就是將mmap返回的空間進(jìn)行了一次管理,所以它才是不連續(xù)的,很好理解,這也意味指這塊內(nèi)存的增長,不會影響屬于連續(xù)內(nèi)存分配的其他Space(這里能做很多黑科技)。

那么我們分配的內(nèi)存什么時(shí)候會被劃分進(jìn)入LargeObjectSpace呢?其實(shí)我們直接看Heap分配條件即可,被定義為大對象要滿足以下條件

inline bool Heap::ShouldAllocLargeObject(ObjPtr<mirror::Class> c, size_t byte_count) const {
  return byte_count >= large_object_threshold_ && (c->IsPrimitiveArray() || c->IsStringClass());
}

large_object_threshold_默認(rèn)為12kb

總結(jié)

我們通過本文,初步了解了art內(nèi)存分配的幾個(gè)模型,為什么要寫這個(gè)系列呢,其實(shí)就是因?yàn)樽罱髲S很多針對內(nèi)存優(yōu)化的方案,都離不開對虛擬機(jī)內(nèi)存分配的知識的了解!希望能夠通過這一系列的文章,能夠?qū)ψ约河袔椭?/p>

以上就是Art 虛擬機(jī)系列Heap內(nèi)存模型分配策略詳解的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于Art 虛擬機(jī)Heap內(nèi)存分配的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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