Android性能优化之内存优化
whale 2019-06-25
导语
智能手机发展到今天已经有十几个年头，手机的软硬件都已经发生了翻天覆地的变化，特别是Android阵营，从一开始的一两百M到今天动辄4G，6G内存。然而大部分的开发者观看下自己的异常上报系统，还是会发现各种内存问题仍然层出不穷，各种OOM为crash率贡献不少。Android开发发展到今天也是已经比较成熟，各种新框架，新技术也是层出不穷，而内存优化一直都是Android开发过程一个不可避免的话题。 恰好最近做了内存优化相关的工作，这里也对Android内存优化相关的知识做下总结。
在开始文章之前推荐下公司同事翻译整理版本《Android性能优化典范 - 第6季》，因为篇幅有限这里我对一些内容只做简单总结，同时如果有不正确内容也麻烦帮忙指正。
本文将会对Android内存优化相关的知识进行总结以及最后案例分析(一二部分是理论知识总结，你也可以直接跳到第三部分看案例)：
一、 Android内存分配回收机制
二 、Android常见内存问题和对应检测，解决方式。
三、 JOOX内存优化案例
四 、总结
工欲善其事必先利其器，想要优化App的内存占用，那么还是需要先了解Android系统的内存分配和回收机制。
一 ，Android内存分配回收机制
参考Android 操作系统的内存回收机制[1]，这里简单做下总结：
从宏观角度上来看Android系统可以分为三个层次
1. Application Framework,
2. Dalvik 虚拟机
3. Linux内核。
这三个层次都有各自内存相关工作：
1. Application Framework
Anroid基于进程中运行的组件及其状态规定了默认的五个回收优先级：
- Empty process(空进程)
- Background process(后台进程)
- Service process(服务进程)
- Visible process(可见进程)
- Foreground process(前台进程)
系统需要进行内存回收时最先回收空进程,然后是后台进程，以此类推最后才会回收前台进程（一般情况下前台进程就是与用户交互的进程了,如果连前台进程都需要回收那么此时系统几乎不可用了）。
由此也衍生了很多进程保活的方法（提高优先级，互相唤醒，native保活等等），出现了国内各种全家桶，甚至各种杀不死的进程。
Android中由ActivityManagerService 集中管理所有进程的内存资源分配。
2. Linux内核
参考QCon大会上阿里巴巴的Android内存优化分享[2]，这里最简单的理解就是ActivityManagerService会对所有进程进行评分（存放在变量adj中），然后再讲这个评分更新到内核，由内核去完成真正的内存回收(lowmemorykiller, Oom_killer)。这里只是大概的流程，中间过程还是很复杂的，有兴趣的同学可以一起研究，代码在系统源码ActivityManagerService.java中。
3. Dalvik虚拟机
Android进程的内存管理分析[3]，对Android中进程内存的管理做了分析。
Android中有Native Heap和Dalvik Heap。Android的Native Heap言理论上可分配的空间取决了硬件RAM，而对于每个进程的Dalvik Heap都是有大小限制的，具体策略可以看看android dalvik heap 浅析[4]。
Android App为什么会OOM呢？其实就是申请的内存超过了Dalvik Heap的最大值。这里也诞生了一些比较”黑科技”的内存优化方案，比如将耗内存的操作放到Native层，或者使用分进程的方式突破每个进程的Dalvik Heap内存限制。
Android Dalvik Heap与原生Java一样，将堆的内存空间分为三个区域，Young Generation，Old Generation， Permanent Generation。
最近分配的对象会存放在Young Generation区域，当这个对象在这个区域停留的时间达到一定程度，它会被移动到Old Generation，最后累积一定时间再移动到Permanent Generation区域。系统会根据内存中不同的内存数据类型分别执行不同的gc操作。
GC发生的时候，所有的线程都是会被暂停的。执行GC所占用的时间和它发生在哪一个Generation也有关系，Young Generation中的每次GC操作时间是最短的，Old Generation其次，Permanent Generation最长。
GC时会导致线程暂停，导致卡顿，Google在新版本的Android中优化了这个问题， 在ART中对GC过程做了优化揭秘 ART 细节 —— Garbage collection[5]，据说内存分配的效率提高了10倍，GC的效率提高了2-3倍（可见原来效率有多低），不过主要还是优化中断和阻塞的时间，频繁的GC还是会导致卡顿。
上面就是Android系统内存分配和回收相关知识，回过头来看，现在各种手机厂商鼓吹人工智能手机，号称18个月不卡顿，越用越快，其实很大一部分Android系统的内存优化有关，无非就是利用一些比较成熟的基于统计，机器学习的算法定时清理数据，清理内存，甚至提前加载数据到内存。
二 ，Android常见内存问题和对应检测，解决方式
1. 内存泄露
不止Android程序员，内存泄露应该是大部分程序员都遇到过的问题，可以说大部分的内存问题都是内存泄露导致的，Android里也有一些很常见的内存泄露问题[6]，这里简单罗列下：
- 单例（主要原因还是因为一般情况下单例都是全局的，有时候会引用一些实际生命周期比较短的变量，导致其无法释放）
- 静态变量（同样也是因为生命周期比较长）
- Handler内存泄露[7]
- 匿名内部类（匿名内部类会引用外部类，导致无法释放，比如各种回调）
- 资源使用完未关闭（BraodcastReceiver，ContentObserver，File，Cursor，Stream，Bitmap）
对Android内存泄露业界已经有很多优秀的组件其中LeakCanary最为知名(Square出品，Square可谓Android开源界中的业界良心，开源的项目包括okhttp, retrofit，otto, picasso, Android开发大神Jake Wharton就在Square)，其原理是监控每个activity，在activity ondestory后，在后台线程检测引用，然后过一段时间进行gc，gc后如果引用还在，那么dump出内存堆栈，并解析进行可视化显示。使用LeakCanary可以快速地检测出Android中的内存泄露。
正常情况下，解决大部分内存泄露问题后，App稳定性应该会有很大提升，但是有时候App本身就是有一些比较耗内存的功能，比如直播，视频播放，音乐播放，那么我们还有什么能做的可以降低内存使用，减少OOM呢？
2. 图片分辨率相关
分辨率适配问题。很多情况下图片所占的内存在整个App内存占用中会占大部分。我们知道可以通过将图片放到hdpi/xhdpi/xxhdpi等不同文件夹进行适配，通过xml android:background设置背景图片，或者通过BitmapFactory.decodeResource()方法，图片实际上默认情况下是会进行缩放的。在Java层实际调用的函数都是或者通过BitmapFactory里的decodeResourceStream函数
public static Bitmap decodeResourceStream(Resources res, TypedValue value,
InputStream is, Rect pad, Options opts) {
if (opts == null) {
opts = new Options();
}
if (opts.inDensity == 0 && value != null) {
final int density = value.density;
if (density == TypedValue.DENSITY_DEFAULT) {
opts.inDensity = DisplayMetrics.DENSITY_DEFAULT;
} else if (density != TypedValue.DENSITY_NONE) {
opts.inDensity = density;
}
}
if (opts.inTargetDensity == 0 && res != null) {
opts.inTargetDensity = res.getDisplayMetrics().densityDpi;
}
return decodeStream(is, pad, opts);
}decodeResource在解析时会对Bitmap根据当前设备屏幕像素密度densityDpi的值进行缩放适配操作，使得解析出来的Bitmap与当前设备的分辨率匹配，达到一个最佳的显示效果，并且Bitmap的大小将比原始的大，可以参考下腾讯Bugly的详细分析Android 开发绕不过的坑：你的 Bitmap 究竟占多大内存？。
关于Density、分辨率、-hdpi等res目录之间的关系：
举个例子，对于一张1280×720的图片，如果放在xhdpi，那么xhdpi的设备拿到的大小还是1280×720而xxhpi的设备拿到的可能是1920×1080，这两种情况在内存里的大小分别为：3.68M和8.29M，相差4.61M，在移动设备来说这几M的差距还是很大的。
尽管现在已经有比较先进的图片加载组件类似Glide，Facebook Freso, 或者老牌Universal-Image-Loader，但是有时就是需要手动拿到一个bitmap或者drawable，特别是在一些可能会频繁调用的场景(比如ListView的getView)，怎样尽可能对bitmap进行复用呢？这里首先需要明确的是对同样的图片，要 尽可能复用，我们可以简单自己用WeakReference做一个bitmap缓存池，也可以用类似图片加载库写一个通用的bitmap缓存池，可以参考GlideBitmapPool[8]的实现。
我们也来看看系统是怎么做的，对于类似在xml里面直接通过android:background或者android:src设置的背景图片，以ImageView为例，最终会调用Resource.java里的loadDrawable:
Drawable loadDrawable(TypedValue value, int id, Theme theme) throws NotFoundException {
// Next, check preloaded drawables. These may contain unresolved theme
// attributes.
final ConstantState cs;
if (isColorDrawable) {
cs = sPreloadedColorDrawables.get(key);
} else {
cs = sPreloadedDrawables[mConfiguration.getLayoutDirection()].get(key);
}
Drawable dr;
if (cs != null) {
dr = cs.newDrawable(this);
} else if (isColorDrawable) {
dr = new ColorDrawable(value.data);
} else {
dr = loadDrawableForCookie(value, id, null);
}
...
return dr;
}可以看到实际上系统也是有一份全局的缓存，sPreloadedDrawables, 对于不同的drawable，如果图片时一样的，那么最终只会有一份bitmap(享元模式)，存放于BitmapState中，获取drawable时，系统会从缓存中取出这个bitmap然后构造drawable。而通过BitmapFactory.decodeResource()则每次都会重新解码返回bitmap。所以其实我们可以通过context.getResources().getDrawable再从drawable里获取bitmap，从而复用bitmap，然而这里也有一些坑，比如我们获取到的这份bitmap，假如我们执行了recycle之类的操作，但是假如在其他地方再使用它是那么就会有”Canvas: trying to use a recycled bitmap android.graphics.Bitmap”异常。
3. 图片压缩
BitmapFactory 在解码图片时，可以带一个Options，有一些比较有用的功能，比如：
- inTargetDensity 表示要被画出来时的目标像素密度
- inSampleSize 这个值是一个int，当它小于1的时候，将会被当做1处理，如果大于1，那么就会按照比例（1 / inSampleSize）缩小bitmap的宽和高、降低分辨率，大于1时这个值将会被处置为2的倍数。例如，width=100，height=100，inSampleSize=2，那么就会将bitmap处理为，width=50，height=50，宽高降为1 / 2，像素数降为1 / 4
- inJustDecodeBounds 字面意思就可以理解就是只解析图片的边界，有时如果只是为了获取图片的大小就可以用这个，而不必直接加载整张图片。
- inPreferredConfig 默认会使用ARGB_8888,在这个模式下一个像素点将会占用4个byte,而对一些没有透明度要求或者图片质量要求不高的图片，可以使用RGB_565，一个像素只会占用2个byte，一下可以省下50%内存。
- inPurgeable和inInputShareable 这两个需要一起使用，BitmapFactory.java的源码里面有注释，大致意思是表示在系统内存不足时是否可以回收这个bitmap，有点类似软引用，但是实际在5.0以后这两个属性已经被忽略，因为系统认为回收后再解码实际会反而可能导致性能问题
- inBitmap 官方推荐使用的参数，表示重复利用图片内存，减少内存分配，在4.4以前只有相同大小的图片内存区域可以复用，4.4以后只要原有的图片比将要解码的图片大既可以复用了。
4. 缓存池大小
现在很多图片加载组件都不仅仅是使用软引用或者弱引用了，实际上类似Glide 默认使用的事LruCache，因为软引用 弱引用都比较难以控制，使用LruCache可以实现比较精细的控制，而默认缓存池设置太大了会导致浪费内存，设置小了又会导致图片经常被回收，所以需要根据每个App的情况，以及设备的分辨率，内存计算出一个比较合理的初始值，可以参考Glide的做法。
5. 内存抖动
什么是内存抖动呢？Android里内存抖动是指内存频繁地分配和回收，而频繁的gc会导致卡顿，严重时还会导致OOM。
一个很经典的案例是string拼接创建大量小的对象(比如在一些频繁调用的地方打字符串拼接的log的时候), 见Android优化之String篇[9]。
而内存抖动为什么会引起OOM呢？
主要原因还是有因为大量小的对象频繁创建，导致内存碎片，从而当需要分配内存时，虽然总体上还是有剩余内存可分配，而由于这些内存不连续，导致无法分配，系统直接就返回OOM了。
比如我们坐地铁的时候，假设你没带公交卡去坐地铁，地铁的售票机就只支持5元，10元，而哪怕你这个时候身上有1万张1块的都没用(是不是觉得很反人类..)。当然你可以去兑换5元，10元，而在Android系统里就没那么幸运了，系统会直接拒绝为你分配内存，并扔一个OOM给你(有人说Android系统并不会对Heap中空闲内存区域做碎片整理，待验证)。
其他
常用数据结构优化，ArrayMap及SparseArray是android的系统API，是专门为移动设备而定制的。用于在一定情况下取代HashMap而达到节省内存的目的,具体性能见HashMap，ArrayMap，SparseArray源码分析及性能对比[10]，对于key为int的HashMap尽量使用SparceArray替代，大概可以省30%的内存，而对于其他类型，ArrayMap对内存的节省实际并不明显，10%左右，但是数据量在1000以上时，查找速度可能会变慢。
枚举，Android平台上枚举是比较争议的，在较早的Android版本，使用枚举会导致包过大，在个例子里面，使用枚举甚至比直接使用int包的size大了10多倍 在stackoverflow上也有很多的讨论, 大致意思是随着虚拟机的优化，目前枚举变量在Android平台性能问题已经不大，而目前Android官方建议，使用枚举变量还是需要谨慎，因为枚举变量可能比直接用int多使用2倍的内存。
ListView复用，这个大家都知道，getView里尽量复用conertView,同时因为getView会频繁调用，要避免频繁地生成对象
谨慎使用多进程，现在很多App都不是单进程，为了保活，或者提高稳定性都会进行一些进程拆分，而实际上即使是空进程也会占用内存(1M左右)，对于使用完的进程，服务都要及时进行回收。
尽量使用系统资源，系统组件，图片甚至控件的id
减少view的层级，对于可以 延迟初始化的页面，使用viewstub
数据相关：序列化数据使用protobuf可以比xml省30%内存，慎用shareprefercnce，因为对于同一个sp，会将整个xml文件载入内存，有时候为了读一个配置，就会将几百k的数据读进内存，数据库字段尽量精简，只读取所需字段。
dex优化，代码优化，谨慎使用外部库， 有人觉得代码多少于内存没有关系，实际会有那么点关系，现在稍微大一点的项目动辄就是百万行代码以上，多dex也是常态，不仅占用rom空间，实际上运行的时候需要加载dex也是会占用内存的(几M)，有时候为了使用一些库里的某个功能函数就引入了整个庞大的库，此时可以考虑抽取必要部分，开启proguard优化代码，使用Facebook redex使用优化dex(好像有不少坑)。
三 案例
JOOX是IBG一个核心产品，2014年发布以来已经成为5个国家和地区排名第一的音乐App。东南亚是JOOX的主要发行地区，实际上这些地区还是有很多的低端机型，对App的进行内存优化势在必行。
上面介绍了Android系统内存分配和回收机制，同时也列举了常见的内存问题，但是当我们接到一个内存优化的任务时，我们应该从何开始？下面是一次内存优化的分享。
1. 首先是解决大部分内存泄露。
不管目前App内存占用怎样，理论上不需要的东西最好回收，避免浪费用户内存，减少OOM。实际上自JOOX接入LeakCanary后，每个版本都会做内存泄露检测，经过几个版本的迭代，JOOX已经修复了几十处内存泄露。
2. 通过MAT查看内存占用，优化占用内存较大的地方。
JOOX修复了一系列内存泄露后，内存占用还是居高不下，只能通过MAT查看到底是哪里占用了内存。关于MAT的使用，网上教程无数，简单推荐两篇MAT使用教程[11]，MAT - Memory Analyzer Tool 使用进阶[12]。
点击Android Studio这里可以dump当前的内存快照，因为直接通过Android Sutdio dump出来的hprof文件与标准hprof文件有些差异，我们需要手动进行转换，利用sdk目录/platform-tools/hprof-conv.exe可以直接进行转换，用法：hprof-conv 原文件.hprof 新文件.hprof。只需要输入原文件名还有目标文件名就可以进行转换，转换完就可以直接用MAT打开。
下面就是JOOX打开App，手动进行多次gc的hprof文件。
这里我们看的是Dominator Tree（即内存里占用内存最多的对象列表）。
- Shallo Heap：对象本身占用内存的大小，不包含其引用的对象内存。
- Retained Heap： Retained heap值的计算方式是将retained set中的所有对象大小叠加。或者说，由于X被释放，导致其它所有被释放对象（包括被递归释放的）所占的heap大小。
第一眼看去 居然有3个8M的对象，加起来就是24M啊 这到底是什么鬼？
我们通过List objects->with incoming references查看（这里with incoming references表示查看谁引用了这个对象，with outgoing references表示这个对象引用了谁）
通过这个方式我们看到这三张图分别是闪屏，App主背景，App抽屉背景。
这里其实有两个问题:
- 这几张图原图实际都是1280x720,而在1080p手机上实测这几张图都缩放到了1920x1080
- 闪屏页面，其实这张图在闪屏显示过后应该可以回收，但是因为历史原因（和JOOX的退出机制有关），这张图被常驻在后台，导致无谓的内存占用。
优化方式：我们通过将这三张图从xhdpi挪动到xxhdpi(当然这里需要看下图片显示效果有没很大的影响)，以及在闪屏显示过后回收闪屏图片。
优化结果：
从原来的8.29x3=24.87M 到 3.68x2=7.36M 优化了17M(有没一种万马奔腾的感觉。。可能有时费大力气优化很多代码也优化不了几百K，所以很多情况下内存优化时优化图片还是比较立竿见影的）。
同样方式我们发现对于一些默认图，实际要求的显示要求并不高（图片相对简单，同时大部分情况下图片加载会成功）,比如下面这张banner的背景图：
优化前1.6M左右，优化后700K左右。
同时我们也发现了默认图片一个其他问题，因为历史原因，我们使用的图片加载库，设置默认图片的接口是需要一个bitmap，导致我们原来几乎每个adapter都用BitmapFactory decode了一个bitmap，对同一张默认图片，不但没有复用，还保存了多份，不仅会造成内存浪费，而且导致滑动偶尔会卡顿。这里我们也对默认图片使用全局的bitmap缓存池，App全局只要使用同一张bitmap，都复用了同一份。
另外对于从MAT里看到的图片，有时候因为看不到在项目里面对应的ID，会比较难确认到底是哪一张图，这里stackoverflow上有一种方法，直接用原始数据通过GIM还原这张图片。
这里其实也看到JOOX比较吃亏一个地方，JOOX不少地方都是使用比较复杂的图片，同时有些地方还需要模糊，动画这些都是比较耗内存的操作，Material Design出来后，很多App都遵循MD设计进行改版，通常默认背景，默认图片一般都是纯色，不仅App看起来比较明亮轻快，实际上也省了很多的内存，对此，JOOX后面对低端机型做了对应的优化。
3. 我们也对Bugly上的OOM进行了分析，发现其实有些OOM是可以避免的。
下面这个crash就是上面提到的在LsitView的adapter里不停创建bitmap，这个地方是我们的首页banner位，理论上App一打开就会缓存这张默认背景图片了，而实际在使用过一段时间后，才因为为了解码这张背景图而OOM, 改为用全局缓存解决。
下面这个就是传说中的内存抖动
实际代码如下，因为打Log而进行了字符串拼接，一旦这个函数被比较频繁地调用，那么就很有可能会发生内存抖动。这里我们新版本已经改为使用stringbuilder进行优化。
还有一些比较奇怪的情况，这里是我们扫描歌曲文件头的时候发生的，有些文件头居然有几百M大，导致一次申请了过大的内存，直接OOM,这里暂时也无法修复，直接catch住out of memory error。
4. 同时我们对一些逻辑代码进行调整，比如我们的App主页的第三个tab(Live tab)进行了数据延迟加载,和定时回收。
这里因为这个页面除了有大图还有轮播banner，实际强引用的图片会有多张，如果这个时候切到其他页面进行听歌等行为，这个页面一直在后台缓存，实际是很浪费耗内存的，同时为优化体验，我们又不能直接通过设置主页的viewpager的缓存页数，因为这样经常都会回收，导致影响体验，所以我们在页面不可见后过一段时间，清理掉adapter数据(只是清空adapter里的数据，实际从网络加载回来的数据还在，这里只是为了去掉界面对图片的引用)，当页面再次显示时再用已经加载的数据显示，即减少了很多情况下图片的引用，也不影响体验。
5. 最后我们也遇到一个比较奇葩的问题，在我们的Bugly上报上有这样一条上报
我们在stackoverflow上看到了相关的讨论，大致意思是有些情况下比如息屏，或者一些省电模式下，频繁地调System.gc()可能会因为内核状态切换超时的异常。这个问题貌似没有比较好的解决方法，只能是优化内存，尽量减少手动调用System.gc()
优化结果
我们通过启动App后，切换到我的音乐界面，停留1分钟，多次gc后，获取App内存占用
优化前:
优化后:
多次试验结果都差不多，这里只截取了其中一次，有28M的优化效果。
当然不同的场景内存占用不同，同时上面试验结果是通过多次手动触发gc稳定后的结果。对于使用其他第三方工具不手动gc的情况下，试验结果可能会差异比较大。
对于上面提到的JOOX里各种图片背景等问题，我们做了动态的优化，对不同的机型进行优化,对特别低端的机型设置为纯色背景等方式，最终优化效果如下：
平均内存降低41M。
本次总结主要还是从图片方面下手，还有一点逻辑优化，已经基本达到优化目标。
四 总结
上面写了很多，我们可以简单总结，目前Andorid内存优化还是比较重要一个话题，我们可以通过各种内存泄露检测组件，MAT查看内存占用，Memory Monitor跟踪整个App的内存变化情况, Heap Viewer查看当前内存快照, Allocation Tracker追踪内存对象的来源,以及利用崩溃上报平台从多个方面对App内存进行监控和优化。上面只是列举了一些常见的情况，当然每个App功能，逻辑，架构也都不一样，造成内存问题也是不尽相同，掌握好工具的使用，发现问题所在，才能对症下药。
参考链接
1.Android 操作系统的内存回收机制
https://www.ibm.com/developerworks/cn/opensource/os-cn-android-mmry-rcycl/2.阿里巴巴的Android内存优化分享
http://www.infoq.com/cn/presentations/android-memory-optimization3.Android进程的内存管理分析
http://blog.csdn.net/gemmem/article/details/89200394.android dalvik heap 浅析
http://blog.csdn.net/cqupt_chen/article/details/110681295.揭秘 ART 细节 —— Garbage collection
http://www.cnblogs.com/jinkeep/p/3818180.html6.Android性能优化之常见的内存泄漏
http://blog.csdn.net/u010687392/article/details/499094777.Android App 内存泄露之Handler
http://blog.csdn.net/zhuanglonghai/article/details/382330698.GlideBitmapPool
https://github.com/amitshekhariitbhu/GlideBitmapPool9.Android 性能优化之String篇
http://blog.csdn.net/vfush/article/details/5303843710.HashMap，ArrayMap，SparseArray源码分析及性能对比
http://www.jianshu.com/p/7b9a1b38626511.MAT使用教程
http://blog.csdn.net/itomge/article/details/4871952712.MAT - Memory Analyzer Tool 使用进阶
http://www.lightskystreet.com/2015/09/01/mat_usage/
