Android 内存与性能

官方教程

  1. Android Performance 是 GOOGLE 近期发布在 Udacity 上的官方教程
    不方便科学上网的同学可以从我的百度网盘里下载。
  2. Android Performance Patterns 是 GOOGLE 在 2015 年初发布在 Facebook 上的专题课程
    这部分内容 CDGChina 加了中文字幕,并放在 Youku 上了。

Notes

看来 Android 生态圈的性能和电量消耗等问题,已经严重到让 Google 不得不重视的地步啦 ~~

关于内存的几个理论知识

GC 的工作机制
当 GC 工作时,虚拟机停止其他工作。频繁地触发 GC 进行内存回收,会导致系统性能严重下降。

内存抖动
在极短的时间内,分配大量的内存,然后又释放它,这种现象就会造成内存抖动。典型地,在 View 控件的 onDraw 方法里分配大量内存,又释放大量内存,这种做法极易引起内存抖动,从而导致性能下降。因为 onDraw 里的大量内存分配和释放会给系统堆空间造成压力,触发 GC 工作去释放更多可用内存,而 GC 工作起来时,又会吃掉宝贵的帧时间 (帧时间是 16ms) ,最终导致性能问题。

内存泄漏
Java 语言的内存泄漏概念和 C/C++ 不太一样,在 Java 里是指不正确地引用导致某个对象无法被 GC 释放,从而导致可用内存越来越少。比如,一个图片查看程序,使用一个静态 Map 实例来缓存解码出来的 Bitmap 实例来加快加载进度。这个时候就可能存在内存泄漏。

内存泄漏会导致可用内存越来越少,从而导致频繁触发 GC 回收内存,进而导致性能下降。

调试工具

  • Memory Monitor Tool: 可以查阅 GC 被触发起来的时间序列,以便观察 GC 是否影响性能。
  • Allocation Tracker Tool: 从 Android Studio 的这个工具里查看一个函数调用栈里,是否有大量的相同类型的 Object 被分配和释放。如果有,则其可能引起性能问题。
  • MAT: 这是 Eclipse 的一个插件,也有 stand alone 的工具可以下载使用。

几个原则

  • 别在循环里分配内存 (创建新对象)
  • 尽量别在 View 的 onDraw 函数里分配内存
  • 实在无法避免在这些场景里分配内存时,考虑使用对象池 (Object Pool)

两个简单的实例

内存抖动

通过一个非常简单的例子来演示内存抖动。这个例子里,在自定义 View 的 onDraw 方法里大量分配内存来演示内存抖动和性能之间的关系。

版本一:

    @Override
    protected void onDraw(Canvas canvas) {
        super.onDraw(canvas);

        String msg = "";
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            if (i != 0) {
                msg += ", ";
            }
            msg += Integer.toString(i + 1);
        }
        Log.d("DEBUG", msg);
    }

版本二:

    @Override
    protected void onDraw(Canvas canvas) {
        super.onDraw(canvas);

        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < 500; i ++) {
            if (i != 0) {
                sb.append(", ");
            }
            sb.append(i + 1);
        }
        Log.d("DEBUG", sb.toString());
    }

内存抖动的特征:

从 Memory Monitor 来看,有毛刺出现。即短时间内分配大量的内存并触发 GC。
memory_churn

从 Allocation Tracker 里看,一次操作会有大量的内存分配产生。
memory_tracker

内存泄漏

这个例子里,我们简单地让点击 Settings 菜单,就产生一个 100KB 的内存泄漏。

    private void addSomeCache() {
        // add 100KB cache
        int key = new Random().nextInt(100);
        Log.d("sfox", "add cache for key " + key);
        sCache.put(key, new byte[102400]);
    }

内存泄漏的特征:

从 Memory Monitor 来看,内存占用越来越大
memory_tracker

利用 MAT 工具进行专业分析。这是个很大的话题。几乎可以独立成几个章节来讲。可以参阅 MAT 本身自带的 Tutorials 来学习。另外,这篇文章里的分析方法是个不错的开始。

示例代码使用 Android Studio 开发环境,可以从这里下载。

利用 MAT 分析内存问题

内存泄漏

一个典型的问题是 Android 系统越用越慢。这种典型地是由内存泄漏引起的。一个很有用的解决这种问题的办法是:比较前后两个阶段的内存的使用情况。一般流程如下:

  1. 利用 ddms 工具 dump HPROF file
  2. 利用 hprof-conv 把 dalvik 格式的转换为普通 jvm 格式
  3. 重复步骤 1 和 2 抓出两份 LOG。
  4. 利用 MAT 对两份 HRPOF 文件进行分析,结合代码找出可能存在的内存泄漏

比如针对拨号盘越来越慢的问题,我们可以开机后启动拨号盘,打进打出10个电话。然后抓个 HPROF 文件。接着,再打进打出10个电话,再抓一个 HPROF 文件。接着拿这两个文件对比分析,看是不是会造成电话打进打出越多,内存占用越多的情况发生。

HPROF文件

HPROF 简单地理解,就是从 jvm 里 dump 出来的内存和 CPU 使用情况的一个二进制文件。它的英文全名叫 A Heap/CPU Profiling Tool。这里有它完整的官方文档和它的历史介绍。

打开 MAT 后,会有一个 Tutorials 来教大家怎么用。这里列出几个操作步骤及其注意事项。

  • 在 DDMS 里导出 HPROF 文件前,最好手动执行一下 GC。目的是让导出的内存全部是被引用的。否则在做内存占用对比时,会有很多不必要的内存占用被标识出来,干扰我们进行分析。
  • 进行对比时,最好是选择操作较多的和操作较少的对比,这样得出的 delta 是正数
  • 通过对比,发现内存泄漏时,可以用 OQL 来查询,并通过 Root to GC 功能来找到发生泄漏的源代码

在我们的示例程序里面,每次点击 Settings 菜单,都会导致一次100KB的内存泄漏。下面是我们利用上面介绍的流程来查找内存泄漏问题。我们先点击 5 次 Settings 菜单,然后手动触发一次 GC,再导出 HPROF 文件。接着,我们再点击 6 次 Settings 菜单,然后手动触发一次 GC,再导出第二份 HPROF 文件。我们拿这两份 HPROF 就可以做一些对比。

mat_diff.png

通过上图可以看到,两次操作确实导致了某些类的实例增加了。图中可以清楚地看到 byte[] 和 java.util.HashMap$HashMapEntry 两个类增加得比较明显。这样,我们随便选择一个,通过 OQL 来查询系统中的这个内存。

mat_qql.png

从上图可以找到,本次 dump 出来的内存里,确实有很多个这个类的实例。在图上右击任何一个实例,右击,选择 Paths to GC roots,可以找到这个实例是被谁引用的。

mat_gc_root.png

从上图可以看出来,这个内存是被 MainActivity 里的 sCache 引用的。通过阅读代码,我们就可以找到这个漏洞了。即每次都往 sCache 里保存一个引用。

总结

Google 视频介绍的内容是硬知识,了解这些知识可以帮助我们写出高质量,高性能的代码。而 MAT, HPROF, Memory Monitor, Allocation Tracker 提供了一个“破案”的工具给我们。我们利用这些工具,倒回来去发现代码里的问题。

延伸阅读

关于 Android 性能优化,网络上有几篇比较好的文章,基本按照 GOOGLE 的官方教程翻译过来的,质量比较高。可以参考一下。

  1. Android 性能优化内存篇胡凯的博客
  2. Android性能优化典范胡凯的博客

冷知识

GC 是在 1959 年由 John McCarthy 发明的,此发明是为了解决 Lisp 编程语言里的内存问题的。《黑客和画家》作者,硅谷最有影响力的孵化器公司 YC 创立者 Paul Graham 高度评价 Lisp 语言,认为编程语言发展到现在,还是没有跳出 Lisp 语言在上世纪 60 年代所倡导的那些理念。并且,他还把自己当初创业,实现财务自由的项目 Viaweb 的成功归功于 Lisp 语言。详细可阅读 Paul Graham 的这篇博客这篇博客


Post by Joey Huang under android on 2015-04-22(Wednesday) 23:30. Tags: android,

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