深入探索 Android(安卓)内存优化（炼狱级别）

成为一名优秀的Android开发，需要一份完备的知识体系，在这里，让我们一起成长为自己所想的那样~。
本篇是 Android 内存优化的进阶篇，难度可以说达到了炼狱级别，建议对内存优化不是非常熟悉的仔细看看前篇文章： Android性能优化之内存优化，其中详细分析了以下几大模块：

1）、Android的内存管理机制
2）、优化内存的意义
3）、避免内存泄漏
4）、优化内存空间
5）、图片管理模块的设计与实现

如果你对以上基础内容都比较了解了，那么我们便开始 Android 内存优化的探索之旅吧。

本篇文章非常长，建议收藏后慢慢享用~

思维导图大纲

一、重识内存优化

1、手机RAM
2、内存优化的纬度
3、内存问题

二、常见工具选择

1、Memory Profiler
2、Memory Analyzer
3、LeakCanary

三、Android内存管理机制回顾

1、Java 内存分配
2、Java 内存回收算法
3、Android 内存管理机制
4、小结

四、内存抖动

1、那么，为什么内存抖动会导致 OOM？
2、内存抖动解决实战
3、内存抖动常见案例

五、内存优化体系化搭建

1、MAT回顾
2、搭建体系化的图片优化 / 监控机制
3、建立线上应用内存监控体系
4、建立全局的线程监控组件
5、GC 监控组件搭建
6、建立线上 OOM 监控组件：Probe
7、实现单机版的 Profile Memory 自动化内存分析
8、搭建线下 Native 内存泄漏监控体系
9、设置内存兜底策略
10、更深入的内存优化策略

六、内存优化演进

1、自动化测试阶段
2、LeakCanary
3、使用基于 LeakCannary 的改进版 ResourceCanary

七、内存优化工具

1、top
2、dumpsys meminfo
3、LeakInspector
4、JHat
5、ART GC Log
6、Chrome Devtool

八、内存问题总结

1、内类是有危险的编码方式
2、普通 Hanlder 内部类的问题
3、登录界面的内存问题
4、使用系统服务时产生的内存问题
5、把 WebView 类型的泄漏装进垃圾桶进程
6、在适当的时候对组件进行注销
7、Handler / FrameLayout 的 postDelyed 方法触发的内存问题
8、图片放错资源目录也会有内存问题
9、列表 item 被回收时注意释放图片的引用
10、使用 ViewStub 进行占位
11、注意定时清理 App 过时的埋点数据
12、针对匿名内部类 Runnable 造成内存泄漏的处理

九、内存优化常见问题

1、你们内存优化项目的过程是怎么做的？
2、你做了内存优化最大的感受是什么？
3、如何检测所有不合理的地方？

十、总结

1、优化大方向
2、优化细节
3、内存优化体系化建设总结

一、重识内存优化
Android给每个应用进程分配的内存都是非常有限的，那么，为什么不能把图片下载下来都放到磁盘中呢？那是因为放在内存中，展示会更 “快”，快的原因有两点，如下所示：

1）、硬件快：内存本身读取、存入速度快。
2）、复用快：解码成果有效保存，复用时，直接使用解码后对象，而不是再做一次图像解码。

这里说一下解码的概念。Android系统要在屏幕上展示图片的时候只认 “像素缓冲”，而这也是大多数操作系统的特征。而我们常见的jpg，png等图片格式，都是把 “像素缓冲” 使用不同的手段压缩后的结果，所以这些格式的图片，要在设备上展示，就必须经过一次解码，它的执行速度会受图片压缩比、尺寸等因素影响。(官方建议：把从内存中淘汰的图片，降低压缩比后存储到本地，以备后用，这样可以最大限度地降低以后复用时的解码开销。)
下面，我们来了解一下内存优化的一些重要概念。
1、手机RAM
手机不使用 PC 的 DDR内存，采用的是 LPDDR RAM，即 ”低功耗双倍数据速率内存“。其计算规则如下所示：
LPDDR系列的带宽 = 时钟频率 ✖️内存总线位数 / 8
LPDDR4 = 1600MHZ ✖️64 / 8 ✖️双倍速率 = 25.6GB/s。
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那么内存占用是否越少越好？
当系统内存充足的时候，我们可以多用一些获得更好的性能。当系统内存不足的时候，我们希望可以做到 ”用时分配，及时释放“。
2、内存优化的纬度
对于Android内存优化来说又可以细分为如下两个维度，如下所示：

1）、RAM优化
2）、ROM优化

1、RAM优化
主要是降低运行时内存。它的目的有如下三个：

1）、防止应用发生OOM。
2）、降低应用由于内存过大被LMK机制杀死的概率。
3）、避免不合理使用内存导致GC次数增多，从而导致应用发生卡顿。

2、ROM优化
降低应用占ROM的体积，进行APK瘦身。它的目的主要是为了降低应用占用空间，避免因ROM空间不足导致程序无法安装。
3、内存问题
那么，内存问题主要是有哪几类呢？内存问题通常来说，可以细分为如下三类:

1）、内存抖动
2）、内存泄漏
3）、内存溢出

下面，我们来了解下它们。
1、内存抖动
内存波动图形呈锯齿张、GC导致卡顿。
这个问题在 Dalvik虚拟机上会更加明显，而 ART虚拟机在内存管理跟回收策略上都做了大量优化，内存分配和GC效率相比提升了5~10倍，所以出现内存抖动的概率会小很多。
2、内存泄漏
Android系统虚拟机的垃圾回收是通过虚拟机GC机制来实现的。GC会选择一些还存活的对象作为内存遍历的根节点GC Roots，通过对GC Roots的可达性来判断是否需要回收。内存泄漏就是在当前应用周期内不再使用的对象被GC Roots引用，导致不能回收，使实际可使用内存变小。简言之，就是对象被持有导致无法释放或不能按照对象正常的生命周期进行释放。一般来说，可用内存减少、频繁GC，容易导致内存泄漏。
3、内存溢出
即OOM，OOM时会导致程序异常。Android设备出厂以后，java虚拟机对单个应用的最大内存分配就确定下来了，超出这个值就会OOM。单个应用可用的最大内存对应于 /system/build.prop 文件中的 dalvik.vm.heapgrowthlimit。
此外，除了因内存泄漏累积到一定程度导致OOM的情况以外，也有一次性申请很多内存，比如说一次创建大的数组或者是载入大的文件如图片的时候会导致OOM。而且，实际情况下很多OOM就是因图片处理不当而产生的。
二、常见工具选择
在 Android性能优化之内存优化中我们已经介绍过了相关的优化工具，这里再简单回顾一下。
1、Memory Profiler
作用

1）、实时图表展示应用内存使用量。
2）、用于识别内存泄漏、抖动等。
3）、提供捕获堆转储、强制GC以及根据内存分配的能力。

优点

1）、方便直观
2）、线下使用

2、Memory Analyzer
强大的 Java Heap 分析工具，查找内存泄漏及内存占用，
生成整体报告、分析内存问题等等。建议线下深入使用。
3、LeakCanary
自动化内存泄漏检测神器。建议仅用于线下集成。
它的缺点比较明显，具体有如下两点：

1）、虽然使用了 idleHandler与多进程，但是 dumphprof 的 SuspendAll Thread 的特性依然会导致应用卡顿。
2）、在三星等手机，系统会缓存最后一个Activity，此时应该采用更严格的检测模式。

三、Android内存管理机制回顾
ART 和 Dalvik 虚拟机使用分页和内存映射来管理内存。下面我们先从Java的内存分配开始说起。
1、Java 内存分配
Java的内存分配区域分为如下五部分：

1）、方法区：主要存放静态常量。
2）、虚拟机栈：Java变量引用。
3）、本地方法栈：native变量引用。
4）、堆：对象。
5）、程序计数器：计算当前线程的当前方法执行到多少行。

2、Java 内存回收算法
1、标记-清除算法
流程可简述为两步：

1）、标记所有需要回收的对象。
2）、统一回收所有被标记的对象。

优点
实现比较简单。
缺点

1）、标记、清除效率不高。
2）、产生大量内存碎片。

2、复制算法
流程可简述为三步：

1）、将内存划分为大小相等的两块。
2）、一块内存用完之后复制存活对象到另一块。
3）、清理另一块内存。

优点
实现简单，运行高效，每次仅需遍历标记一半的内存区域。
缺点
会浪费一半的空间，代价大。
3、标记-整理算法
流程可简述为三步：

1）、标记过程与标记-清除算法一样。
2）、存活对象往一端进行移动。
3）、清理其余内存。

优点

1）、避免标记-清除导致的内存碎片。
2）、避免复制算法的空间浪费。

4、分代收集算法
现在主流的虚拟机一般用的比较多的还是分代收集算法，它具有如下特点：

1）、结合多种算法优势。
2）、新生代对象存活率低，使用复制算法。
3）、老年代对象存活率高，使用标记-整理算法。

3、Android 内存管理机制
Android 中的内存是弹性分配的，分配值与最大值受具体设备影响。
对于 OOM场景其实可以细分为如下两种：

1）、内存真正不足。
2）、可用（被分配的）内存不足。

我们需要着重注意一下这两种的区分。
4、小结
以Android中虚拟机的角度来说，我们要清楚 Dalvik 与 ART 区别，Dalvik 仅固定一种回收算法，而 ART 回收算法可在运行期按需选择，并且，ART 具备内存整理能力，减少内存空洞。
最后，LMK（Low Memory killer）机制保证了进程资源的合理利用，它的实现原理主要是根据进程分类和回收收益来综合决定的一套算法集。
四、内存抖动
当内存频繁分配和回收导致内存不稳定，就会出现内存抖动，它通常表现为频繁GC、内存曲线呈锯齿状。
并且，它的危害也很严重，通常会导致页面卡顿，甚至造成 OOM。
1、那么，为什么内存抖动会导致 OOM？
主要原因有如下两点：

1）、频繁创建对象，导致内存不足及碎片（不连续）。
2）、不连续的内存片无法被分配，导致OOM。

2、内存抖动解决实战
这里我们假设有这样一个场景：点击按钮使用 handler 发送一个空消息，handler 的 handleMessage 接收到消息后创建内存抖动，即在 for 循环创建 100个容量为10万的 strings 数组并在 30ms 后继续发送空消息。
一般使用 Memory Profiler （表现为频繁GC、内存曲线呈锯齿状）结合代码排查即可找到内存抖动出现的地方。
通常的技巧就是着重查看循环或频繁被调用的地方。
3、内存抖动常见案例
下面列举一些导致内存抖动的常见案例，如下所示：
1、字符串使用加号拼接

1）、使用StringBuilder替代。
2）、初始化时设置容量，减少StringBuilder的扩容。

2、资源复用

1）、使用全局缓存池，以重用频繁申请和释放的对象。
2）、注意结束使用后，需要手动释放对象池中的对象。

3、减少不合理的对象创建

1）、ondraw、getView 中创建的对象尽量进行复用。
2）、避免在循环中不断创建局部变量。

4、使用合理的数据结构
使用 SparseArray类族、ArrayMap 来替代 HashMap。
五、内存优化体系化搭建
在开始我们今天正式的主题之前，我们先来回归一下内存泄漏的概念与解决技巧。
所谓的内存泄漏就是内存中存在已经没有用的对象。它的表现一般为内存抖动、可用内存逐渐减少。
它的危害即会导致内存不足、GC频繁、OOM。
而对于内存泄漏的分析一般可简述为如下两步：

1）、使用 Memory Profiler 初步观察。
2）、通过 Memory Analyzer 结合代码确认。

1、MAT回顾
MAT查找内存泄漏
对于MAT来说，其常规的查找内存泄漏的方式可以细分为如下三步：

1）、首先，找到当前 Activity，在 Histogram 中选择其 List Objects 中的 with incoming reference（哪些引用引向了我）。
2）、然后，选择当前的一个 Path to GC Roots/Merge to GC Roots 的 exclude All 弱软虚引用。
3）、最后，找到的泄漏对象在左下角下会有一个小圆圈。

此外，在 Android性能优化之内存优化还有几种进阶的使用方式，这里就不一一赘述了，下面，我们来看看关于 MAT 使用时的一些关键细节。
MAT的关键使用细节
要全面掌握MAT的用法，必须要先了解隐藏在 MAT 使用中的四大细节，如下所示：

1）、善于使用 Regex 查找对应泄漏类。
2）、使用 group by package 查找对应包下的具体类。
3）、明白 with outgoing references 和 with incoming references 的区别。

with outgoing references：它引用了哪些对象。
with incoming references：哪些对象引用了它。

4）、了解 Shallow Heap 和 Retained Heap 的区别。

Shallow Heap：表示对象自身占用的内存。
Retained Heap：对象自身占用的内存 + 对象引用的对象所占用的内存。

MAT 关键组件回顾
除此之外，MAT 共有 5个关键组件帮助我们去分析内存方面的问题，分别如下所示：

1）、Dominator_tree
2）、Histogram
3）、thread_overview
4）、Top Consumers
5）、Leak Suspects

下面我们这里再简单地回顾一下它们。
1、Dominator（支配者）：
如果从GC Root到达对象A的路径上必须经过对象B，那么B就是A的支配者。
2、Histogram和dominator_tree的区别：

1）、Histogram 显示 Shallow Heap、Retained Heap、Objects，而 dominator_tree 显示的是 Shallow Heap、Retained Heap、Percentage。
2）、Histogram 基于类的角度，dominator_tree是基于实例的角度。Histogram 不会具体显示每一个泄漏的对象，而dominator_tree会。

3、thread_overview
查看线程数量和线程的 Shallow Heap、Retained Heap、Context Class Loader 与 is Daemon。
4、Top Consumers
通过图形的形式列出占用内存比较多的对象。
在下方的 Biggest Objects 还可以查看其相对比较详细的信息，例如 Shallow Heap、Retained Heap。
5、Leak Suspects
列出有内存泄漏的地方，点击 Details 可以查看其产生内存泄漏的引用链。
2、搭建体系化的图片优化 / 监控机制
在介绍图片监控体系的搭建之前，首先我们来回顾下 Android Bitmap 内存分配的变化。
Android Bitmap 内存分配的变化
在Android 3.0之前

1）、Bitmap 对象存放在 Java Heap，而像素数据是存放在 Native 内存中的。
2）、如果不手动调用 recycle，Bitmap Native 内存的回收完全依赖 finalize 函数回调，但是回调时机是不可控的。

Android 3.0 ~ Android 7.0
将 Bitmap对象和像素数据统一放到 Java Heap 中，即使不调用 recycle，Bitmap 像素数据也会随着对象一起被回收。
但是，Bitmap 全部放在 Java Heap 中的缺点很明显，大致有如下两点：

1）、Bitmap是内存消耗的大户，而 Max Java Heap 一般限制为 256、512MB，Bitmap 过大过多容易导致 OOM。
2）、容易引起大量 GC，没有充分利用系统的可用内存。

Android 8.0及以后

1）、使用了能够辅助回收 Native 内存的 NativeAllocationRegistry，以实现将像素数据放到 Native 内存中，并且可以和 Bitmap 对象一起快速释放，最后，在 GC 的时候还可以考虑到这些 Bitmap 内存以防止被滥用。
2）、Android 8.0 为了解决图片内存占用过多和图像绘制效率过慢的问题新增了硬件位图 Hardware Bitmap。

那么，我们如何将图片内存存放在 Native 中呢？
将图片内存存放在Native中的步骤有四步，如下所示：

1）、调用 libandroid_runtime.so 中的 Bitmap 构造函数，申请一张空的 Native Bitmap。对于不同 Android 版本而言，这里的获取过程都有一些差异需要适配。
2）、申请一张普通的 Java Bitmap。
3）、将 Java Bitmap 的内容绘制到 Native Bitmap 中。
4）、释放 Java Bitmap 内存。

我们都知道的是，当系统内存不足的时候，LMK 会根据 OOM_adj 开始杀进程，从后台、桌面、服务、前台，直到手机重启。并且，如果频繁申请释放 Java Bitmap 也很容易导致内存抖动。对于这种种问题，我们该如何评估内存对应用性能的影响呢？
对此，我们可以主要从以下两个方面进行评估，如下所示：

1）、崩溃中异常退出和 OOM 的比例。
2）、低内存设备更容易出现内存不足和卡顿，需要查看应用中用户的手机内存在 2GB 以下所占的比例。

对于具体的优化策略与手段，我们可以从以下七个方面来搭建一套成体系化的图片优化 / 监控机制。
1、统一图片库
在项目中，我们需要收拢图片的调用，避免使用 Bitmap.createBitmap、BitmapFactory 相关的接口创建 Bitmap，而应该使用自己的图片框架。
2、设备分级优化策略
内存优化首先需要根据设备环境来综合考虑，让高端设备使用更多的内存，做到针对设备性能的好坏使用不同的内存分配和回收策略。
因此，我们可以使用类似 device-year-class 的策略对设备进行分级，对于低端机用户可以关闭复杂的动画或”重功能“，使用565格式的图片或更小的缓存内存等等。
业务开发人员需要考虑功能是否对低端机开启，在系统资源不够时主动去做降级处理。
3、建立统一的缓存管理组件
建立统一的缓存管理组件（参考 ACache），并合理使用 OnTrimMemory / LowMemory 回调，根据系统不同的状态去释放相应的缓存与内存。
在实现过程中，需要解决使用 static LRUCache 来缓存大尺寸 Bitmap 的问题。
并且，在通过实际的测试后，发现 onTrimMemory 的 ComponetnCallbacks2.TRIM_MEMORY_COMPLETE 并不等价于 onLowMemory，因此建议仍然要去监听 onLowMemory 回调。
4、低端机避免使用多进程
一个空进程也会占用 10MB 内存，低端机应该尽可能减少使用多进程。
针对低端机用户可以推出 4MB 的轻量级版本，如今日头条极速版、Facebook Lite。
5、线下大图片检测
在开发过程中，如果检测到不合规的图片使用（如图片宽度超过View的宽度甚至屏幕宽度），应该立刻提示图片所在的Activity和堆栈，让开发人员更快发现并解决问题。在灰度和线上环境，可以将异常信息上报到后台，还可以计算超宽率（图片超过屏幕大小所占图片总数的比例）。
下面，我们介绍下如何实现对大图片的检测。
常规实现
继承 ImageView，重写实现计算图片大小。但是侵入性强，并且不通用。
因此，这里我们介绍一种更好的方案：ARTHook。
ARTHook优雅检测大图
ARTHook，即挂钩，用额外的代码勾住原有的方法，以修改执行逻辑，主要可以用于以下四个方面：

1）、AOP编程
2）、运行时插桩
3）、性能分析
4）、安全审计

具体我们是使用 Epic 来进行 Hook，Epic 是一个虚拟机层面，以 Java 方法为粒度的运行时 Hook 框架。简单来说，它就是 ART 上的 Dexposed，并且它目前支持 Android 4.0~10.0。
Epic github 地址
使用步骤
Epic通常的使用步骤为如下三个步骤：
1、在项目 moudle 的 build.gradle 中添加
compile ‘me.weishu:epic:0.6.0’
复制代码
2、继承 XC_MethodHook，实现 Hook 方法前后的逻辑。如监控Java线程的创建和销毁：
class ThreadMethodHook extends XC_MethodHook{
@Override
protected void beforeHookedMethod(MethodHookParam param) throws Throwable {
super.beforeHookedMethod(param);
Thread t = (Thread) param.thisObject;
Log.i(TAG, “thread:” + t + “, started…”);
}

@Overrideprotected void afterHookedMethod(MethodHookParam param) throws Throwable {    super.afterHookedMethod(param);    Thread t = (Thread) param.thisObject;    Log.i(TAG, "thread:" + t + ", exit..");}

}
复制代码
3、注入 Hook 好的方法：
DexposedBridge.findAndHookMethod(Thread.class, “run”, new ThreadMethodHook());
复制代码
知道了 Epic 的基本使用方法之后，我们便可以利用它来实现大图片的监控报警了。
项目实战
以 Awesome-WanAndroid 项目为例，首先，在 WanAndroidApp 的 onCreate 方法中添加如下代码：
DexposedBridge.hookAllConstructors(ImageView.class, new XC_MethodHook() {
@Override
protected void afterHookedMethod(MethodHookParam param) throws Throwable {
super.afterHookedMethod(param);
// 1
DexposedBridge.findAndHookMethod(ImageView.class, “setImageBitmap”, Bitmap.class, new ImageHook());
}
});
复制代码
在注释1处，我们通过调用 DexposedBridge 的 findAndHookMethod 方法找到所有通过 ImageView 的 setImageBitmap 方法设置的切入点，其中最后一个参数 ImageHook 对象是继承了 XC_MethodHook 类，其目的是为了重写 afterHookedMethod 方法拿到相应的参数进行监控逻辑的判断。
接下来，我们来实现我们的 ImageHook 类，代码如下所示：
public class ImageHook extends XC_MethodHook {

@Overrideprotected void afterHookedMethod(MethodHookParam param) throws Throwable {    super.afterHookedMethod(param);    // 1    ImageView imageView = (ImageView) param.thisObject;    checkBitmap(imageView,((ImageView) param.thisObject).getDrawable());}private static void checkBitmap(Object thiz, Drawable drawable) {    if (drawable instanceof BitmapDrawable && thiz instanceof View) {        final Bitmap bitmap = ((BitmapDrawable) drawable).getBitmap();        if (bitmap != null) {            final View view = (View) thiz;            int width = view.getWidth();            int height = view.getHeight();            if (width > 0 && height > 0) {                // 2、图标宽高都大于view的2倍以上，则警告                if (bitmap.getWidth() >= (width << 1)                    &&  bitmap.getHeight() >= (height << 1)) {                warn(bitmap.getWidth(), bitmap.getHeight(), width, height, new RuntimeException("Bitmap size too large"));            }            } else {                // 3、当宽高度等于0时，说明ImageView还没有进行绘制，使用ViewTreeObserver进行大图检测的处理。                final Throwable stackTrace = new RuntimeException();                view.getViewTreeObserver().addOnPreDrawListener(new ViewTreeObserver.OnPreDrawListener() {                    @Override                    public boolean onPreDraw() {                        int w = view.getWidth();                        int h = view.getHeight();                        if (w > 0 && h > 0) {                            if (bitmap.getWidth() >= (w << 1)                                && bitmap.getHeight() >= (h << 1)) {                                warn(bitmap.getWidth(), bitmap.getHeight(), w, h, stackTrace);                            }                            view.getViewTreeObserver().removeOnPreDrawListener(this);                        }                        return true;                    }                });            }        }    }}private static void warn(int bitmapWidth, int bitmapHeight, int viewWidth, int viewHeight, Throwable t) {    String warnInfo = "Bitmap size too large: " +        "\n real size: (" + bitmapWidth + ',' + bitmapHeight + ')' +        "\n desired size: (" + viewWidth + ',' + viewHeight + ')' +        "\n call stack trace: \n" + Log.getStackTraceString(t) + '\n';    LogHelper.i(warnInfo);}

}
复制代码
首先，在注释1处，我们重写了 ImageHook 的 afterHookedMethod 方法，拿到了当前的 ImageView 和要设置的 Bitmap 对象。然后，在注释2处，如果当前 ImageView 的宽高大于0，我们便进行大图检测的处理：ImageView 的宽高都大于 View 的2倍以上，则警告。接着，在注释3处，如果当前 ImageView 的宽高等于0，则说明 ImageView 还没有进行绘制，则使用 ImageView 的 ViewTreeObserver 获取其宽高进行大图检测的处理。至此，我们的大图检测检测组件就已经实现了。

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