Android内存优化深入解析

Posted 2022-11-04 亮亮在江湖

前言

内存问题是一个普遍问题，但是却普遍缺少关注度，具体有以下几个原因
1.内存问题相对比较隐蔽，表现并不明显
2.同时android使用Jvm语言开发，垃圾回收是自动的，所以一般没有特别关注
3.内存问题难以定位，出现问题的地方往往只是表现的地方，真正的原因难以收集

内存优化的内容其实非常多而复杂，我们可以尝试从以下思路去了解
1.要了解内存问题，我们首先要了解为什么要做内存优化？
2.同时需要了解一些内存优化的背景知识，如垃圾回收机制
3.我们需要了解一些内存优化的常用工具与手段
4.图片是内存优化的重点，我们需要重点了解下图片优化的知识点
5.内存问题的一个直接体现是OOM,我们还需要了解下OOM治理的一些手段

所以我们可以轻松得出本文的主要内容：
1.为什么要做内存优化?
2.android内存优化的一些背景知识
3.android内存优化的常用工具与手段
4.怎么做图片内存优化？
5.怎么做OOM线上监控?

本文主要内容思维导图如下：

1. 为什么要做内存优化?

要回答这个问题，我们首先应该明确需求，当我们去做内存优化时是为了什么
做内存优化的目的是降低OOM率、减少卡顿、增加应用存活时间。

1.1 降低OOM率

做内存优化的一个常见原因是为了降低OOM率
申请内存过多而没有及时释放，常常就会导致OOM
引起OOM的原因有多种，在后面我们再细谈

1.2 减少卡顿

Android中造成界面卡顿的原因有很多种，其中一种就是由内存问题引起的.
内存问题之所以会影响到界面流畅度，是因为垃圾回收.
在GC时，所有线程都要停止，包括主线程.当GC和绘制界面的操作同时触发时，绘制的执行就会被搁置，导致掉帧，也就是界面卡顿。

1.3 增加应用存活时间

Android会按照特定的机制清理进程，清理进程时优先会考虑清理后台进程，如果某个应用在后台运行并且占用的内存更多，就会被优先清理掉
我们通常希望App能尽量存活的久一点，所以内存不再使用时应该尽快释放

2. android内存优化的一些背景知识

2.1 Java垃圾回收机制

Java内存回收主要包括以下内容
1.判断对象是否回收的可达性分析算法
2.强软弱虚4种引用类型
3.用于GC回收的垃圾回收算法
这些都是很常见的知识点了，这里也就不缀述了，如果想要了解更多细节的同学可参考：Java 垃圾回收机制

2.2 什么是内存泄漏?

内存泄漏指的是一块内存没有被使用且无法被GC回收，从而造成了内存的浪费，比如Handler匿名内部类持有Activity的引用，Activity 需要销毁时，GC 就无法回收它。
内存泄漏的表现就是可用内存逐渐减少，无法被回收的内存逐渐累积，直到应用无更多可用内存可申请时，就会导致内存溢出

内存泄漏的直接原因是长生命周期的对象引用了短生命周期的对象，导致短生命周期对象无法回收
常见的引起内存泄漏的原因有：
1.非静态内部类持有了外部引用
2.静态变量持有了context的引用
3.资源没有及时释放

我们一般使用LeakCanary或者Profile检测内存泄漏

2.3 什么是内存抖动?

当我们在短时间内频繁创建大量临时对象时，就会引起内存抖动，比如在一个for循环中创建临时对象实例，下面这张图就是内存抖动时的一个内存图表现，它的形状是锯齿形的，而中间的垃圾桶代表着一次GC。

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内存抖动意味着频繁的创建对象与回收，容易触发GC，而当GC时所有线程都会停止，因此可能导致卡顿
为了避免内存抖动，我们应该避免以下操作
1.尽量避免在循环体中创建对象
2.尽量不要在自定义View的onDraw()方法中创建对象，因为这个方法会被频繁调用
3.对于能够复用的对象，可以考虑使用对象池把它们缓存起来

2.4 什么是内存溢出?

内存溢出即申请的内存超出可用的内存，即OOM，这会导致我们的程序异常退出,这也是我们重点关注的指标
引起OOM的原因可能有多种，主要可以分为以下几类

关于OOM治理及线上监控等，后面会详细介绍

3. android内存优化的常用工具与手段

3.1 Memory Profiler

Memory Profiler是Profiler 中的其中一个版块，Profiler 是 Android Studio 为我们提供的性能分析工具，使用 Profiler 能分析应用的 CPU、内存、网络以及电量的使用情况。
使用Memory可以检测以下功能
1.查看内存曲线及内存占用情况
2.可以定位是否存在内存抖动问题
3.堆转储（Dump Java Heap）可检测出内存泄漏的对象

关于Memory Profiler的具体使用就不在此缀述了，想要了解的可参考：什么是 Memory Profiler？

3.2 Memory Analyzer Tool

MAT工具可以帮助开发者定位导致内存泄漏的对象，以及发现大的内存对象，然后解决内存泄漏并通过优化内存对象，以达到减少内存消耗的目的。
比起Memory Profiler，MAT使用起来更加麻烦，同时现在Memory Profiler功能也越来越强大了，所以我现在已经很少使用MAT了
如果想要更多地了解MAT，也可以参考:什么是Memory Analyzer Tool

3.3 LeakCanary检测内存泄漏

相比Memory Profiler与MAT,LeakCanary在使用上更加简便
只需要在项目中添加依赖，即可自动地检测内存泄漏并报警，使用起来非常方便
当发生泄漏时，引用链如下：

LeakCanary有以下几个特点：
1.不需要手动初始化
2.可自动检测内存泄漏并通过通知报警
3.不能用于线上
LeakCanary检测流程如下：

关于LeakCanary的原理，我之前曾经总结过一篇文章，有兴趣的同学也可以参考:【带着问题学】关于LeakCanary2.0你应该知道的知识点

3.4 内存优化的一些常规手段

内存优化的一些细节问题可以在开发时避免，下面介绍一些常规的内存优化手段
1）、使用LargeHeap属性增加最大可用内存
2）、在系统触发资源紧张回调时，主动删除缓存
3）、使用优化过后的集合：如SparseArray类等
4）、谨慎使用 SharedPreference,SP会在应用初始化时将所有内容加载到内存中，所以不应该存放比较大的内容
5）、谨慎使用外部库，引入时需要明确不会对应用性能造成大的影响
6）、业务架构设计要合理,抽象可以优化代码的灵活性和可维护性，但是抽象也会带来其他成本,应权衡使用

这些细节问题其实都很普通，如果平时注意到了，相信对应用的内存一定有所帮助

4. 怎么做图片内存优化？

内存优化应该优先去做见效快的地方，图片内存优化是内存优化的重点，可能一张图片没有回收就会造成几M内存的浪费

4.1 常规的图片内存优化方法

我们都知道，图片所占内存=宽高一像素占用内存
所以优化图片内存主要有以下几个思路
1.缩放减小宽高
2.减少每个像素所占用的内存
3.内存复用，避免重复分配内存
4.对于大图，可以采取局部加载的策略

4.1.1 减少图片宽高

有时图片宽高为200*200,而View宽高为100*100,这种时候如果展示200*200的图片没有意义，应该对图片进行缩放
这种情况一般通过inSampleSize实现

BitampFactory.Options options = new BitmapFactory.Options();
// 设置为4就是宽和高都变为原来1/4大小的图片
options.inSampleSize = 4;
BitmapFactory.decodeSream(is, null, options);
复制代码

4.1.2 减少每个像素所占用的内存

在API29中，将Bitmap分为ALPHA_8, RGB_565, ARGB_4444, ARGB_8888, RGBA_F16, HARDWARE六个等级。

• ALPHA_8：不存储颜色信息，每个像素占1个字节；
• RGB_565：仅存储RGB通道，每个像素占2个字节，对Bitmap色彩没有高要求，可以使用该模式；
• ARGB_4444：已弃用，用ARGB_8888代替；
• ARGB_8888：每个像素占用4个字节，保持高质量的色彩保真度，默认使用该模式；
• RGBA_F16：每个像素占用8个字节，适合宽色域和HDR；
• HARDWARE：一种特殊的配置，减少了内存占用同时也加快了Bitmap的绘制。

每个等级每个像素所占用的字节也都不一样，所存储的色彩信息也不同。同一张100像素的图片，ARGB_8888就占了400字节，RGB_565才占200字节
所以在某些场景中，修改图片格式可以达到减少一半内存的效果

4.1.3 内存复用，避免重复分配内存

Bitmap所占内存比较大，如果我们频繁创建与回收Bitmap，那么很容易造成内存抖动,所以我们应该尽量复用Bitmap内存

在 Android 3.0（API 级别 11）开始，系统引入了 BitmapFactory.Options.inBitmap 字段。如果设置了此选项，那么采用 Options 对象的解码方法会在生成目标 Bitmap 时尝试复用 inBitmap，这意味着 inBitmap 的内存得到了重复使用，从而提高了性能，同时移除了内存分配和取消分配。不过 inBitmap 的使用方式存在某些限制，在 Android 4.4（API 级别 19）之前系统仅支持复用大小相同的位图，4.4 之后只要 inBitmap 的大小比目标 Bitmap 大即可

4.1.4 大图局部加载策略

对于图片加载还有种情况，就是单个图片非常巨大，并且还不允许压缩。比如显示：世界地图、清明上河图、微博长图等
首先不压缩，按照原图尺寸加载，那么屏幕肯定是不够大的，并且考虑到内存的情况，不可能一次性整图加载到内存中
所以这种情况的优化思路一般是局部加载，通过BitmapRegionDecoder来实现

//设置显示图片的中心区域
BitmapRegionDecoder bitmapRegionDecoder = BitmapRegionDecoder.newInstance(inputStream, false);
BitmapFactory.Options options = new BitmapFactory.Options();
options.inPreferredConfig = Bitmap.Config.RGB_565;
Bitmap bitmap = bitmapRegionDecoder.decodeRegion(new Rect(width / 2 - 100, height / 2 - 100, width / 2 + 100, height / 2 + 100), options);
mImageView.setImageBitmap(bitmap);
复制代码

4.1.5 小结

上面所说的这些关于Bitmap的内存优化策略其实都比较简单，而且我们在开发中可能很少用到
因为我们常用的图片框架比如Glide已经将这些都封装在里面了，所以一般情况下我们加载图片时不需要做这些特殊操作
关于Glide对于加载图片都做了哪些优化，有兴趣的同学可以参考:【带着问题学】Glide做了哪些优化?

4.2 图片兜底策略

针对因activity、fragment泄漏导致的图片泄漏，我们可以在onDetachedFromWindow时机进行了监控和兜底，具体流程如下：

通过这种方式可以方便地解决因Activity导致的图片泄漏问题

4.3 线上大图监控方案

当运营在线上配置了不合理大小的图片时，如果我们及时发现，也会带来内存问题
如果图片本身大小就不合理，我们在这个基础上谈图片优化也没有什么意义，因此大图监控这也是个比较常见的需求
下面介绍几种大图监控的方案：

4.3.1 ArtHook 方案

该方案采用weishu大佬写的epic库实现，通过对ART虚拟机的hook，hook ImageView的 setImageBitmap 等方法
解析对比方法参数中的 bitmap 宽高和 ImageView 实例的宽高，也可以获得bitmap的实际大小
如果图片宽高比ImageView宽高大，或者图片大小超出了阈值，就可以把相关信息上报

这种方案的优点在于：
1.侵入性极低，一次初始化配置即可hook全局的目标View控件
2.可以获取代码调用堆栈，方便开发者快速定位

而缺点则在于:
兼容性存在问题，使用了hook系统API ,不能用于线上

4.3.2 BaseActivity 方案

大部分应用工程在业务发展的过程中都会沉淀封装自己的BaseActivity ，通过在BaseActivity onDestroy中动态地检测各个View控件，从而获知图片加载情况

class BaseActivity : Activity()
    fun onDestory()
        if(isOpenCheckBitmap)
            checkBitmapFromView()
        
    
    
    fun checkBitmapFromView()
        //1、遍历activity中的各个View控件
        //2、获取View控件加载的Bitmap
        //3、对比Bitmap宽高与View宽高
    

复制代码

这种方案的优点在于：
1.兼容性强，无任何反射
2.加入简单，没有什么复杂逻辑

缺点在于：
1.侵入性太强，需要修改BaseActivity
2.BaseActivity.onDestory本身可能被重写,并不安全

4.3.3 ASM方案

该方案在编译流程进行插桩，通过匹配setImageBitmap 、 setBackground 等关键方法，插入Bitmap大小检测逻辑
这种方案优点在于：
1.编译时期插桩，对开发过程无侵入性

缺点在于：
1.通过插桩的方式打点，可能会增加编译期耗时
2.ASM代码维护成本较高，使用起来不是那么方便

4.3.4 registerActivityLifecycleCallback方案

通过registerActivityLifecycleCallback监听Activity生命周期,在onStop时进行Bitmap大小检测的逻辑

    private fun registerActivityLifecycleCallback(application: Application) 
        application.registerActivityLifecycleCallbacks(object :
            Application.ActivityLifecycleCallbacks 
            override fun onActivityStopped(activity: Activity) 
                checkBitmapIsTooBig(childViews)
            

        )
    
复制代码

这种方案对原始代码无侵入性，同时使用起来比较简单，也没有兼容性问题，应该属于比较良好的方案
详细实现可见：BitmapCanary 诞生

5.怎么做OOM线上监控?

上文我们介绍了，可以使用LeakCanary在线下监测内存泄漏，但是LeakCanary只能在线下使用,有以下问题
1.线下场景能跑到的场景有限，很难把所有用户场景穷尽.碰到线上问题难以定位
2.检测过程需要主动触发GC,Dump内存镜像造成app冻结，造成测试过程中体验不好
3.适用范围有限，只能定位Activity&Fragment泄漏，无法定位大对象、频繁分配等问题
4.hprof文件过大，如果整体上传的话需要耗费很多资源

下面我们就介绍一下快手开源的线上OOM监控框架KOOM

5.1 线上OOM监控框架KOOM介绍

上面我们介绍了LeakCanary不能用于线上监控的原因，所以要实现线上监控功能，就需要解决以下问题

• 监控
  • 主动触发GC，会造成卡顿
• 采集
  • Dump hprof，会造成app冻结
  • Hprof文件过大
• 解析
  • 解析耗时过长
  • 解析本身有OOM风险

其核心流程为三部分：
1.监控OOM，发生问题时触发内存镜像的采集，以便进一步分析问题
2.采集内存镜像，学名堆转储，将内存数据拷贝到文件中，以下简称dump hprof
3.解析镜像文件，对泄漏、超大对象等我们关注的对象进行可达性分析，解析出其到GC root的引用链以解决问题

5.2 KOOM解决GC卡顿

LeakCanary通过多次GC的方式来判断对象是否被回收，所以会造成性能损耗
koom通过无性能损耗的内存阈值监控来触发镜像采集，具体策略如下：

• Java堆内存/线程数/文件描述符数突破阈值触发采集
• Java堆上涨速度突破阈值触发采集
• 发生OOM时如果策略1、2未命中 触发采集
• 泄漏判定延迟至解析时

我们并不需要在运行时判定对象是否泄漏，以Activity为例，我们并不需要在运行时判定其是否泄漏，Activity有一个成员变mDestroyed，在onDestory时会被置为true，只要解析时发现有可达且mDestroyed为true的Activity，即可判定为泄漏
通过将泄漏判断延迟至解析时，即可解决GC卡顿的问题

5.3 KOOM解决Dump hprof冻结app

Dump hprof即采集内存镜像需要暂停虚拟机，以确保在内存数据拷贝到磁盘的过程中，引用关系不会发生变化，暂停时间通常长达10秒以上，对用户来讲是难以接受的，这也是LeakCanary官方不推荐线上使用的重要原因之一。
利用Copy-on-write机制，fork子进程dump内存镜像，可以完美解决这一问题，fork成功以后，父进程立刻恢复虚拟机运行，子进程dump内存镜像期间不会受到父进程数据变动的影响。
流程如下图所示：

KOOM随机采集线上真实用户的内存镜像，普通dump和fork子进程dump阻塞用户使用的耗时如下：

可以看出，基本可以做到无感知的采集内存镜像

5.4 KOOM解决hprof文件过大

Hprof文件通常比较大，分析OOM时遇到500M以上的hprof文件并不稀奇，文件的大小，与dump成功率、dump速度、上传成功率负相关，且大文件额外浪费用户大量的磁盘空间和流量。
因此需要对hprof进行裁剪，只保留分析OOM必须的数据，另外，裁剪还有数据脱敏的好处，只上传内存中类与对象的组织结构，并不上传真实的业务数据（诸如字符串、byte数组等含有具体数据的内容），保护用户隐私。
裁剪hprof文件涉及到对hprof文件格式的了解，这里就不缀述了
下面看一下裁剪过程的流程图：

5.5 KOOM解决hprof解析的耗时与OOM

解析hprof文件，对关键对象进行可达性分析，得到引用链，是解决OOM最核心的一步，之前的监控和dump都是为解析做铺垫。
解析分两种，一种是上传hprof文件由server解析，另一种是在客户端解析后上传报告(通常只有几KB)。
KOOM选择了端上解析，这样做有两个好处：

• 1.节省用户流量
• 2.利用用户闲时算力，降低server压力，这样也符合分布式计算理念。

这样就可以把解析过程拆解成以下两个问题

• 哪些对象需要分析，全部分析性能开销太大，很难在端上完成，并且问题没有重点也不利于解决。
• 性能优化，作为一个debug组件，要在不影响用户体验的情况下完成解析，对性能有非常高的要求。

5.5.1 关键对象判定

KOOM只解析关键的对象，关键对象分为两类，一类是根据规则可以判断出对象已经泄露，且持有大量资源的，另外一类是对象shallow / retained size 超过阈值
Activity/fragment泄露判定即为第一种:
对于强可达的activity对象，其mDestroyed值为true时(onDestroy时赋值)，判定已经泄露。
类似的，对于fragment，当mCalled值为true且mFragmentManager为null时，判定已经泄露 。

Bitmap/window/array/sufacetexture判定为第二种
检查bitmap/texture的数量、宽高、window数量、array长度等等是否超过阈值，再结合hprof中的相关业务信息，比如屏幕大小，view大小等进行判定。

5.5.2 性能优化

KOOM在LeakCanary解析引擎shark的基础上做了一些优化，将解析时间在shark的基础上优化了2倍以上，内存峰值控制在100M以内。 用一张图总结解析的流程：

详细流程就不在这里缀述了，详情可见：KOOM解析性能优化

5.6 KOOM使用

KOOM目前已经开源，开源地址：github.com/KwaiAppTeam…
直接参照接入指南接入即可，当发现内存超过阈值或者发生OOM时，就会触发采集内存快照，对hprof文件进行裁剪并分析后得到报告
KOOM的报告是json格式，并且大小在KB级别，样式如下所示：

大概包括以下信息
1.一些可能泄漏的类信息
2.泄漏原因,gcRoot,泄漏实例数量等
3.泄漏对象的引用链，方便定位问题

可见KOOM上传的数据量并不太大，但相对准确，非常便于我们分析线上数据

5.7 小结

本章主要介绍了线上监控OOM的开源框架KOOM
其实线上监控OOM的框架各大厂都有开发，比如美团的Probe,字节的Liko
不过大部分都没有正式开源，只是一些文章介绍原理，有兴趣的同学也可以都了解下

总结

对于优化的大方向，我们应该优先去做见效快的地方，主要有以下几个部分：
1.内存泄漏
2.内存抖动
3.Bitmap大图监控
4.OOM线上监控

我们还介绍了内存优化的多种实用工具
1.可以使用Profile,MAT在开发时定位内存抖动内存泄漏问题
2.线下开发、回归、Monkey、压测等环节可以自动集成LeakCanary检测内存泄漏；
3.图片加载是内存优化的重点，我们可以结合图片兜底策略与线上大图监控，优化图片内存问题
4.线上OOM时通过KOOM监测，内存超出阈值时主动dump内存快照，通过上传分析结果精准分析OOM问题。

内存优化是个复杂的过程，我们在做内存优化的过程中，需要结合多种工具，线上线下结合，系统化地配合来定位与解决问题

作者：程序员江同学
链接：https://juejin.cn/post/6975876569990447134
来源：稀土掘金