在 Android 系统中，堆（Heap） 是 ART（Android Runtime，或早期 Dalvik 虚拟机）用于动态分配和管理 Java/Kotlin 对象的主要内存区域。堆的结构设计直接影响垃圾回收（GC）效率、内存分配性能和应用流畅度。
- Android 堆的结构与关键特性
Android 的堆是 ART 管理的连续内存区域，用于存储运行时创建的对象（如 Java/Kotlin 实例、数组等）。它通过分代和分区设计优化内存分配与垃圾回收，主要特性包括：
- 分代结构：基于 Generational GC，堆分为 年轻代（Young Generation） 和 老年代（Old Generation），分别处理短生命周期和长期存活对象。
- 大对象空间（Large Object Space, LOS）：独立存储大对象（如 Bitmap、数组），避免频繁复制。
- Zygote Space / Image Space：存储预加载的系统类和资源，通常不参与 GC。
- 卡表（Card Table）与标记位图（Mark Bitmap）：辅助 GC 的元数据结构，跟踪引用变化和存活对象。
- 动态调整：堆大小和分代比例根据设备内存（通过 ActivityManager.getMemoryClass() 获取）动态调整，适配低端到高端设备。
- 堆的逻辑组织
Android 堆的逻辑结构可以分为以下几个主要区域：
2.1 年轻代（Young Generation）
-
作用：存储新分配的对象，通常生命周期短（如 UI 临时对象、局部变量）。
-
子区域：
- Eden 区：新对象首先分配在此，占年轻代大部分空间。
- Survivor 区（From 和 To）：存活对象在 Minor GC 中复制到 Survivor 区，轮换使用。
-
算法：使用 Copying（复制算法），快速回收，暂停时间短（1-3ms）。
-
典型对象：RecyclerView 的 ViewHolder、SpannableString 等。
2.2 老年代（Old Generation）
- 作用：存储经过多次 GC 仍存活的对象（如单例、缓存）。
- 算法：使用 Concurrent Mark-Sweep（CMS） 或 Mark-Compact，回收频率低但暂停时间较长（10-100ms）。
- 典型对象：全局配置、Activity 实例（若泄漏）。
2.3 大对象空间（LOS）
- 作用：存储大对象（如 Bitmap、大数组），避免频繁复制。
- 算法：使用 Mark-Compact，解决碎片问题。
- 典型对象：高清图片、视频缓冲区。
2.4 Zygote Space / Image Space
- 作用：存储系统启动时预加载的类、资源和库（如 Java 标准库）。
- 特性：通常不参与 GC，减少应用启动时间和内存占用。
- 典型内容：java.lang.String、Android Framework 类。
2.5 元数据区域
- 卡表（Card Table）：字节数组，记录堆中引用修改的卡页（128 字节），支持 CMS 和跨代引用跟踪。
- 标记位图（Mark Bitmap）：记录存活对象，辅助 GC 标记阶段。
- 其他：如空闲列表（Free List），管理未分配内存。
- 堆的“样子”：逻辑与物理视图
由于堆是内存中的逻辑结构，无法直接“看”到，但我们可以通过文字模拟其逻辑布局和物理分配的“样子”。以下是堆的简化表示，结合 ART 的分代和分区设计：
逻辑视图（分代结构）
[Android Heap]
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Zygote Space / Image Space (预加载类/资源, 不参与 GC) │
│ [java.lang.String, android.app.Activity, ...] │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Young Generation (年轻代, 复制算法) │
│ ┌──────────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ Eden │ │ From Surv. │ │ To Surv. │ │
│ │ [new objects] │ │ [survivors] │ │ [empty] │ │
│ └──────────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Old Generation (老年代, CMS/Mark-Compact) │
│ [long-lived objects: singletons, caches, ...] │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Large Object Space (LOS, Mark-Compact) │
│ [Bitmaps, large arrays, ...] │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Metadata (卡表, Mark Bitmap, 空闲列表) │
│ [Card Table: byte array for dirty cards] │
│ [Mark Bitmap: tracks live objects] │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
物理视图（内存分配）
堆在物理内存中是连续的，ART 通过指针和偏移管理不同区域。以下是简化的内存布局：
[Memory Address: 0x10000000 - 0x1FFFFFFF]
0x10000000: [Zygote Space: system classes, resources]
0x12000000: [Young Gen: Eden | From Survivor | To Survivor]
0x14000000: [Old Gen: long-lived objects]
0x16000000: [LOS: large objects]
0x18000000: [Metadata: Card Table, Mark Bitmap]
- 比例：年轻代通常占堆的 1/8，老年代占大部分，LOS 按需分配。
- 动态调整：ART 根据设备内存（512MB 到数 GB）调整堆大小和分代比例。
- 碎片：老年代和 LOS 可能产生碎片，需通过 Mark-Compact 整理。
- 堆在实际开发中的表现
堆的结构直接影响 Android 应用的内存管理和性能。以下是堆在开发中的“样子”和影响：
4.1 通过工具观察堆
-
Android Studio Profiler：
- 显示堆的分配情况（Eden、Survivor、老年代、LOS）。
- 提供 Allocation Tracking，定位高频分配对象。
- 示例：快速滑动 RecyclerView 时，Eden 区快速填满，触发 Minor GC。
-
adb shell dumpsys meminfo：
-
输出堆使用情况，如：
Total PSS by category: 100 MB: Java Heap (Young + Old + LOS) 20 MB: Zygote 5 MB: Native Heap -
显示年轻代、老年代和 LOS 的占用比例。
-
-
LeakCanary：
- 检测堆中的内存泄漏，定位老年代中的长期存活对象。
4.2 典型场景
- 高频分配：RecyclerView 创建大量临时 ViewHolder，填满 Eden 区，触发 Minor GC（1-3ms）。
- 大对象：加载高清 Bitmap 到 LOS，频繁分配可能触发 Full GC（10-100ms）。
- 内存泄漏：Activity 未释放晋升到老年代，增加 CMS 或 Mark-Compact 压力。
- 低端设备：堆大小受限（<100MB），年轻代比例小，GC 更频繁。
- 开发实践与优化
堆的结构直接影响 GC 性能和应用流畅度，以下是基于堆结构的优化建议：
5.1 减少年轻代压力
- 优化对象分配：使用对象池（如 Message.obtain()）或缓存（如 Glide）减少 Eden 区分配。
- 案例：聊天应用中，缓存 SpannableString 结果，降低 Minor GC 频率。
5.2 管理老年代
- 避免泄漏：使用 LeakCanary 检测长期存活对象，清理静态引用或监听器。
- 弱引用：对缓存使用 WeakReference，减少老年代占用。
- 案例：游戏应用中，使用 SoftReference 包装 UI 缓存，降低 Full GC 频率。
5.3 优化大对象
- 复用内存：通过 BitmapFactory.Options.inBitmap 复用 Bitmap。
- 异步加载：将大对象分配移到后台线程，避免主线程 GC 暂停。
- 案例：图片编辑器预分配 Bitmap 池，减少 LOS 的 Mark-Compact。
5.4 低端设备适配
- 动态调整：通过 ActivityManager.getMemoryClass() 检测堆大小，减少分配。
- 降级策略：降低图片分辨率或禁用复杂动画，减少堆压力。
- 案例：地图应用延迟加载瓦片，减少 Eden 区和 LOS 占用。
- 堆的“样子”在运行时的动态变化
堆的结构是动态的，随应用运行和 GC 触发不断变化。以下是运行时堆的典型“快照”：
- 初始状态：Eden 区逐渐填满，Survivor 区为空，老年代和 LOS 占用少。
- Minor GC 后：Eden 区清空，存活对象移到 To Survivor，部分对象晋升到老年代。
- Full GC 后：老年代和 LOS 回收未标记对象，可能通过 Mark-Compact 整理碎片。
- 高负载场景：快速滑动列表或加载大图时，Eden 和 LOS 占用激增，GC 频率上升。
- 总结
Android 的堆是一个分层、分区的内存结构，包含：
- 年轻代（Eden + Survivor，复制算法，处理短生命周期对象）。
- 老年代（CMS/Mark-Compact，处理长期存活对象）。
- LOS（Mark-Compact，处理大对象）。
- Zygote Space（不参与 GC，存储系统资源）。
- 元数据（卡表、Mark Bitmap，辅助 GC）。
堆通过分代设计和动态调整，平衡内存效率和实时性。开发者可通过 Profiler、LeakCanary 和 dumpsys meminfo 观察堆状态，优化对象分配、减少泄漏和管理大对象，以提升应用性能和用户体验。
