【底层机制】Android GC -- 为什么要有GC？GC的核心原理？理解GC的意义

我们将从"为什么需要GC"开始，逐步深入到Android虚拟机中GC的具体实现和最佳实践。

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一、 为什么要垃圾回收？

在程序运行时，我们会不断地创建对象（比如在Activity、Fragment中new一个对象），这些对象都占据着内存空间。如果只创建不销毁，内存迟早会被耗尽，导致程序崩溃（OutOfMemoryError）。

在C/C++中，内存需要程序员手动管理（malloc/free, new/delete），这很容易导致两种问题：

1. 内存泄漏：忘记释放不再使用的内存。
2. 悬空指针：释放了内存后，又去使用它。

GC就是为了解决这个问题而诞生的。它自动追踪和回收不再被使用的对象，释放其占用的内存，从而让程序员从繁琐的内存管理工作中解放出来，专注于业务逻辑。

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二、 GC的核心基本原理：可达性分析

GC如何判断一个对象是否"存活"？

核心思想 ：从一系列被称为 "GC Roots" 的对象出发，向下搜索，所走过的路径称为 "引用链"。如果一个对象到GC Roots没有任何引用链相连，则说明此对象是不可用的，可以被回收。

GC Roots 通常包括以下几种：

1. 虚拟机栈中的局部变量：正在执行的各个线程的方法栈帧中的局部变量表所引用的对象。
2. 本地方法栈中JNI引用的对象。
3. 方法区中静态属性引用的对象：类的静态变量。
4. 方法区中常量引用的对象：比如字符串常量池里的引用。
5. Java虚拟机内部的引用：如基本数据类型对应的Class对象，常驻的异常对象等。
6. 被同步锁持有的对象。

简单来说：如果一个对象，从任何"根"开始都找不到它，它就是垃圾。

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三、 Android虚拟机中的GC

Android主要经历了两个虚拟机时代：Dalvik 和 ART。它们的GC机制有显著不同。

1. Dalvik虚拟机（Android 5.0之前）的GC

Dalvik的GC相对简单粗暴，是应用卡顿的一个重要原因。

• 标记-清除算法

  • 标记 ：暂停所有用户线程（这被称为 "Stop-The-World"），从GC Roots开始，遍历所有存活的对象并打上标记。
  • 清除：遍历整个堆，回收所有未被标记的对象所占用的内存。
  • 缺点 ：会产生内存碎片。回收后，内存空间是不连续的，当需要分配一个较大对象时，可能无法找到足够的连续内存，从而触发另一次GC。

• GC类型：

  • GC_FOR_MALLOC： 当堆上分配内存失败时触发的GC。
  • GC_CONCURRENT： 当堆内存达到一定阈值时，尝试在后台并发执行的GC，以减少应用停顿。
  • GC_EXPLICIT ： 显式调用 System.gc() 触发的GC（强烈不建议，因为它会打乱虚拟机的GC计划）。

Dalvik GC的痛点 ：Stop-The-World 时间较长，尤其是在GC_CONCURRENT的最后阶段，也会暂停所有线程进行清理工作，导致应用卡顿、掉帧。

2. ART虚拟机（Android 5.0及之后）的GC

ART在安装时就将字节码预编译成本地机器码，其GC策略也更加先进和高效，主要目标是减少停顿时间。

• 主要改进 ：
  1. 多阶段GC：将GC过程拆分成多个阶段，很多阶段可以与用户线程并发执行。
  2. 不同种类的GC ：针对不同情况使用不同的回收策略。
     • 并发标记-清除：大部分标记和清除工作与用户线程并发进行，大大减少了停顿时间。
     • 压缩GC ：为了解决内存碎片问题，ART会不定期地执行压缩GC 。它会移动存活的对象，将它们紧凑地排列在内存的一端，从而释放出大块的连续空闲内存。这个过程的 Stop-The-World 时间较长，但ART会尽量在后台或应用在后台时进行。
  3. 分代收集：这是现代GC算法的核心思想，ART也采用了。

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四、 深入理解：分代收集理论

这是理解现代GC（包括ART）的关键。根据对象的存活周期，将Java堆划分为新生代 和老年代。

1. 新生代

• 存放对象：绝大多数新创建的对象。

• 特点："朝生夕死"，大部分对象很快变得不可达。

• 区域划分：

  • Eden区：新对象基本都分配在这里。
  • Survivor区（两个） ：From Survivor 和 To Survivor。用于存放每次Minor GC后存活下来的对象。

• 回收过程（Minor GC）：

  1. 新对象在Eden区分配。
  2. 当Eden区满时，触发一次 Minor GC。
  3. 将Eden区和From Survivor中仍然存活的对象，一次性复制到To Survivor区。
  4. 同时，为这些存活的对象"年龄"+1（每熬过一次Minor GC，年龄就加1）。
  5. 清空Eden区和刚使用的From Survivor区。
  6. 最后，From Survivor和To Survivor的角色互换。
  • 优点：速度非常快，因为只处理一小块区域。
  • 晋升 ：当一个对象的年龄增长到一定程度（默认15），就会被移动到老年代。

2. 老年代

• 存放对象：经过多次Minor GC仍然存活的对象（即长时间存活的对象），以及大对象（可能直接进入老年代）。
• 特点：对象存活率高。
• 回收过程（Major GC / Full GC） ：
  • 当老年代空间不足时，会触发 Major GC ，通常会伴随一次 Minor GC ，因此也常被称为 Full GC。
  • Full GC 会对整个堆（新生代 + 老年代）进行回收，停顿时间最长 ，是应用卡顿的主要元凶之一。我们的优化目标就是尽量避免或减少Full GC。

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五、 对Android开发的指导意义与实践

理解了GC原理，我们就能写出对GC更友好的代码，提升应用性能。

1. 内存泄漏是头号大敌

内存泄漏会导致对象永远无法被GC回收，最终引发OOM。

• 常见场景 ：
  • 非静态内部类/匿名类持有外部类引用：如Handler、Runnable等。如果它们在Activity销毁后仍被系统（如消息队列）持有，就会导致Activity泄漏。
  • 静态变量持有Context/View引用。
  • 集合类未及时清理。
  • 第三方库使用后未正确释放（如监听器、广播）。
• 排查工具 ：Android Profiler , LeakCanary。

2. 避免创建不必要的对象

对象的创建和销毁都是有成本的。在性能敏感的代码段（如onDraw、循环体），应尽量避免创建临时对象。

• 反面教材 ：

  // 在onDraw中每次循环都创建新对象，会瞬间产生大量垃圾，频繁触发GC
  for (int i = 0; i < 1000; i++) {
      String temp = "Item " + i; // 不要这样做！
      canvas.drawText(temp, x, y, paint);
  }

• 优化方案：将对象提升为成员变量，或使用对象池。

3. 谨慎使用 System.gc()

如前所述，显式调用GC会打乱虚拟机的优化策略，可能导致不必要的、耗时的Full GC。把内存管理的决策权交给虚拟机。

4. 关注 onTrimMemory()

当系统内存不足时，会回调此方法。我们可以在这里释放一些非核心资源（如缓存图片），帮助系统减轻内存压力，从而降低自身进程被杀死和触发GC的概率。

总结

特性	Dalvik GC	ART GC
核心目标	功能实现	减少停顿，提升性能
主要算法	标记-清除（为主）	并发标记-清除 + 分代收集 + 压缩
停顿时间	较长，易引起卡顿	显著缩短，更流畅
处理碎片	不处理，碎片化严重	通过压缩整理内存

作为Android开发者，理解GC原理的最终目的是：

1. 写出高性能、低卡顿的代码：通过避免内存泄漏和减少不必要的对象分配。
2. 快速定位和解决内存问题：当发生OOM或内存抖动时，能迅速找到根源。
3. 建立良好的内存观：知道代码的每一行背后可能发生什么，做到心中有数。

希望这份详细的讲解能帮助你彻底理解Android GC！