Android進程的內存管理分析

尊重原創作者，轉載請註明出處：

http://blog.csdn.net/gemmem/article/details/8920039

最近在網上看了不少Android內存管理方面的博文，但是文章大多都是就單個方面去介紹內存管理，沒有能全局把握，缺乏系統性闡述，而且有些觀點有誤。

這樣對Android內存管理進行局部性介紹，很難使讀者建立系統性概念，無法真正理解內存管理，對提高系統優化和系統穩定性分析方面的能力是不夠的。

    我結合自己的一些思考和理解，從宏觀層面上，對內存管理做一個全局性的介紹，在此與大家交流分享。

首先，回顧一下基礎知識，基礎知識是理解系統機制的前提和關鍵：

1、  進程的地址空間

在32位操作系統中，進程的地址空間爲0到4GB，

示意圖如下：

 

圖1

 

這裏主要說明一下Stack和Heap：

Stack空間（進棧和出棧）由操作系統控制，其中主要存儲函數地址、函數參數、局部變量等等，所以Stack空間不需要很大，一般爲幾MB大小。

Heap空間的使用由程序員控制，程序員可以使用malloc、new、free、delete等函數調用來操作這片地址空間。Heap爲程序完成各種複雜任務提供內存空間，所以空間比較大，一般爲幾百MB到幾GB。正是因爲Heap空間由程序員管理，所以容易出現使用不當導致嚴重問題。

 

2、進程內存空間和RAM之間的關係

進程的內存空間只是虛擬內存（或者叫作邏輯內存），而程序的運行需要的是實實在在的內存，即物理內存（RAM）。在必要時，操作系統會將程序運行中申請的內存（虛擬內存）映射到RAM，讓進程能夠使用物理內存。

RAM作爲進程運行不可或缺的資源，對系統性能和穩定性有着決定性影響。另外，RAM的一部分被操作系統留作他用，比如顯存等等，內存映射和顯存等都是由操作系統控制，我們也不必過多地關注它，進程所操作的空間都是虛擬地址空間，無法直接操作RAM。

示意圖如下：

圖2

基礎知識介紹到這裏，如果讀者理解以上知識有障礙，請好好惡補一下基礎知識，基礎理論知識至關重要。 

 

3、  Android中的進程

（1）   native進程：採用C/C++實現，不包含dalvik實例的linux進程，/system/bin/目錄下面的程序文件運行後都是以native進程形式存在的。如圖           3，/system/bin/surfaceflinger、/system/bin/rild、procrank等就是native進程。

 

（2）   java進程：實例化了dalvik虛擬機實例的linux進程，進程的入口main函數爲java函數。dalvik虛擬機實例的宿主進程是fork()系統調用創建的linux進程，所以每一個android上的java進程實際上就是一個linux進程，只是進程中多了一個dalvik虛擬機實例。因此，java進程的內存分配比native進程複雜。如圖3，Android系統中的應用程序基本都是java進程，如桌面、電話、聯繫人、狀態欄等等。

圖3

 

 

4、  Android中進程的堆內存

圖1和圖4分別介紹了native process和java process的結構，這個是我們程序員需要深刻理解的，進程空間中的heap空間是我們需要重點關注的。heap空間完全由程序員控制，我們使用的malloc、C++ new和java new所申請的空間都是heap空間， C/C++申請的內存空間在native heap中，而java申請的內存空間則在dalvik heap中。

圖4

 

5、  Android的 java程序爲什麼容易出現OOM

這個是因爲Android系統對dalvik的vm heapsize作了硬性限制，當java進程申請的java空間超過閾值時，就會拋出OOM異常（這個閾值可以是48M、24M、16M等，視機型而定），可以通過adb shell getprop | grep dalvik.vm.heapgrowthlimit查看此值。

也就是說，程序發生OMM並不表示RAM不足，而是因爲程序申請的java heap對象超過了dalvik vm heapgrowthlimit。也就是說，在RAM充足的情況下，也可能發生OOM。

這樣的設計似乎有些不合理，但是Google爲什麼這樣做呢？這樣設計的目的是爲了讓Android系統能同時讓比較多的進程常駐內存，這樣程序啓動時就不用每次都重新加載到內存，能夠給用戶更快的響應。迫使每個應用程序使用較小的內存，移動設備非常有限的RAM就能使比較多的app常駐其中。但是有一些大型應用程序是無法忍受vm heapgrowthlimit的限制的，後面會介紹如何讓自己的程序跳出vm heapgrowthlimit的限制。

 

6、  Android如何應對RAM不足

在第5點中提到：java程序發生OMM並不是表示RAM不足，如果RAM真的不足，會發生什麼呢？這時Android的memory killer會起作用，當RAM所剩不多時，memory killer會殺死一些優先級比較低的進程來釋放物理內存，讓高優先級程序得到更多的內存。我們在分析log時，看到的進程被殺的log，如圖5，往往就是屬於這種情況。

圖5

7、  如何查看RAM使用情況

可以使用adb shell cat /proc/meminfo查看RAM使用情況：

MemTotal:        396708 kB

MemFree:           4088 kB

Buffers:           5212 kB

Cached:          211164 kB

SwapCached:           0 kB

Active:          165984 kB

Inactive:        193084 kB

Active(anon):    145444 kB

Inactive(anon):     248 kB

Active(file):     20540 kB

Inactive(file):  192836 kB

Unevictable:       2716 kB

Mlocked:              0 kB

HighTotal:            0 kB

HighFree:             0 kB

LowTotal:        396708 kB

LowFree:           4088 kB

SwapTotal:            0 kB

SwapFree:             0 kB

Dirty:                0 kB

Writeback:            0 kB

AnonPages:       145424 kB

……

……

這裏對其中的一些字段進行解釋：

MemTotal：可以使用的RAM總和（小於實際RAM，操作系統預留了一部分）

MemFree：未使用的RAM

Cached：緩存（這個也是app可以申請到的內存）

HightTotal：RAM中地址高於860M的物理內存總和，只能被用戶空間的程序使用。

HightFree：RAM中地址高於860M的未使用內存

LowTotal：RAM中內核和用戶空間程序都可以使用的內存總和（對於512M的RAM: lowTotal= MemTotal）

LowFree: RAM中內核和用戶空間程序未使用的內存（對於512M的RAM: lowFree = MemFree）

 

8、  如何查看進程的內存信息

(1)、使用adb shell dumpsys meminfo + packagename/pid:

從圖6可以看出，com.example.demo作爲java進程有2個heap，native heap和dalvik heap，

native heap size爲159508KB，dalvik heap size爲46147KB

 

圖6 

 

 

（2）、使用adb shell procrank查看進程內存信息

        如圖7：

圖7

 

解釋一些字段的意思：

VSS- Virtual Set Size 虛擬耗用內存（包含共享庫佔用的內存）

RSS- Resident Set Size 實際使用物理內存（包含共享庫佔用的內存）

PSS- Proportional Set Size 實際使用的物理內存（比例分配共享庫佔用的內存）

USS- Unique Set Size 進程獨自佔用的物理內存（不包含共享庫佔用的內存）

一般來說內存佔用大小有如下規律：VSS >= RSS >= PSS >= USS

 

注意：dumpsys meminfo可以查看native進程和java進程，而procrank只能查看java進程。

 

9、  應用程序如何繞過dalvikvm heapsize的限制

對於一些大型的應用程序（比如遊戲），內存使用會比較多，很容易超超出vm heapsize的限制，這時怎麼保證程序不會因爲OOM而崩潰呢？

（1）、創建子進程

               創建一個新的進程，那麼我們就可以把一些對象分配到新進程的heap上了，從而達到一個應用程序使用更多的內存的目的，當然，創建子進程會增加系統開銷，而且並不是所有應用程序都適合這樣做，視需求而定。

創建子進程的方法：使用android:process標籤

（2）、使用jni在native heap上申請空間（推薦使用）

      nativeheap的增長並不受dalvik vm heapsize的限制，從圖6可以看出這一點，它的native heap size已經遠遠超過了dalvik heap size的限制。

只要RAM有剩餘空間，程序員可以一直在native heap上申請空間，當然如果 RAM快耗盡，memory killer會殺進程釋放RAM。大家使用一些軟件時，有時候會閃退，就可能是軟件在native層申請了比較多的內存導致的。比如，我就碰到過UC web在瀏覽內容比較多的網頁時閃退，原因就是其native heap增長到比較大的值，佔用了大量的RAM，被memory killer殺掉了。

（3）、使用顯存（操作系統預留RAM的一部分作爲顯存）

使用OpenGL textures等API，texture memory不受dalvik vm heapsize限制，這個我沒有實踐過。再比如Android中的GraphicBufferAllocator申請的內存就是顯存。

 

10、Bitmap分配在native heap還是dalvik heap上？

一種流行的觀點是這樣的：

Bitmap是jni層創建的，所以它應該是分配到native heap上，並且爲了解釋bitmap容易導致OOM，提出了這樣的觀點：

              native heap size + dalvik heapsize <= dalvik vm heapsize

詳情請看：http://devspirit.blog.163.com/blog/static/16425531520104199512427/

 

但是請大家看看圖6，native heap size爲159508KB，遠遠超過dalvik vm heapsize，所以，事實證明以上觀點是不正確的。

 

正確的觀點：

大家都知道，過多地創建bitmap會導致OOM異常，且native heapsize不受dalvik限制，所以可以得出結論：

Bitmap只能是分配在dalvik heap上的，因爲只有這樣才能解釋bitmap容易導致OOM。

 

但是，有人可能會說，Bitmap確實是使用java native方法創建的啊，爲什麼會分配到dalvik heap中呢？爲了解決這個疑問，我們還是分析一下源碼：

涉及的文件：

framework/base/graphic/java/Android/graphics/BitmapFactory.java
framework/base/core/jni/Android/graphics/BitmapFactory.cpp
framework/base/core/jni/Android/graphics/Graphics.cpp

BitmapFactory.java裏面有幾個decode***方法用來創建bitmap，最終都會調用：

private staticnative Bitmap nativeDecodeStream(InputStream is, byte[] storage,Rect padding,Options opts);

而nativeDecodeStream()會調用到BitmapFactory.cpp中的deDecode方法，最終會調用到Graphics.cpp的createBitmap方法。

 

我們來看看createBitmap方法的實現：

jobjectGraphicsJNI::createBitmap(JNIEnv* env, SkBitmap* bitmap, jbyteArray buffer,
                                  boolisMutable, jbyteArray ninepatch, int density)
{
    SkASSERT(bitmap);
    SkASSERT(bitmap->pixelRef());

    jobject obj = env->NewObject(gBitmap_class, gBitmap_constructorMethodID,
           static_cast<jint>(reinterpret_cast<uintptr_t>(bitmap)),
            buffer, isMutable, ninepatch,density);
    hasException(env); // For the side effectof logging.
    return obj;
}

 

從代碼中可以看到bitmap對象是通過env->NewOject( )創建的，到這裏疑惑就解開了，bitmap對象是虛擬機創建的，JNIEnv的NewOject方法返回的是java對象，並不是native對象，所以它會分配到dalvik heap中。

 

11、java程序如何才能創建native對象

必須使用jni，而且應該用C語言的malloc或者C++的new關鍵字。實例代碼如下：

JNIEXPORT void JNICALLJava_com_example_demo_TestMemory_nativeMalloc(JNIEnv *, jobject)
{

         void * p= malloc(1024*1024*50);

         SLOGD("allocate50M Bytes memory");

         if (p !=NULL)
         {
                   //memorywill not used without calling memset()
                   memset(p,0, 1024*1024*50);
         }
         else
                   SLOGE("mallocfailure.");
   ….
   ….
free(p); //free memory
}

或者:

JNIEXPORT voidJNICALL Java_com_example_demo_TestMemory_nativeMalloc(JNIEnv *, jobject)
{

         SLOGD("allocate 50M Bytesmemory");
         char *p = new char[1024 * 1024 * 50];
         if (p != NULL)
         {
                   //memory will not usedwithout calling memset()
                   memset(p, 1, 1024*1024*50);
         }
         else
                  SLOGE("newobject failure.");
 ….
….
free(p); //free memory
}

這裏對代碼中的memset做一點說明：

       new或者malloc申請的內存是虛擬內存，申請之後不會立即映射到物理內存，即不會佔用RAM，只有調用memset使用內存後，虛擬內存纔會真正映射到RAM。

本文旨在讓大家對Android內存管理有一個整體性的認識，着重全局性理解，希望對大家有用。

如果對java層內存泄漏感興趣，可以閱讀我的文章 Android內存泄漏分析及調試