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Android 内存分析(java/native heap内存、虚拟内存、处理器内存 )

2023-09-14 19:07

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1.jvm 堆内存(dalvik 堆内存)

不同手机中app进程的 jvm 堆内存是不同的，因厂商在出厂设备时会自定义设置其峰值。比如,在Android Studio 创建模拟器时，会设置jvm heap 默认384m , 如下图所示：
请添加图片描述
当app 进程中java 层 new 对象(加起来总和)占用的堆内存达到jvm heap 峰值时，就会抛出OOM 。

通过一个案例进一步，了解jvm 堆内存：

通过以下代码，可获取到进程中jvm 堆内存的使用情况：

    public JSONObject statisticsJVMMemory() {        JSONObject json = new JSONObject();        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();        //进程中最大jvm 内存大小        long max_memory = runtime.maxMemory() / 1024;        //进程中申请的jvm内存大小，不等用于一定分配那么多内存(会随着时间变化而变化)        long apply_memory = runtime.totalMemory() / 1024;        //进程中申请内存中可使用的jvm内存大小        long free_memory = runtime.freeMemory() / 1024;        //进程中已经使用的jvm 内存        long use_memory = apply_memory - free_memory;        //计算出jvm 的内存使用率,超过0.8就需要警惕,可能java 层内存存在泄漏        float use_memory_rate = ((float) use_memory) / max_memory;        //....     }

先来了解jvm 堆内存的几个指标:
1.最大限制内存: maxMemory，出厂时设置的
2.申请的内存: totalMemory,不等用于一定分配那么多内存(会随着时间变化而变化)
3.(申请的内存中)剩余使用的内存:freeMemory
4.已使用的内存: use_memory=totalMemory -freeMemory， 重点关注是这个
5.内存使用率: use_memory/maxMemory

模拟jvm 堆内存一直上涨的场景， 启动一个线程，周期性间隔几秒，不断模拟创建byte 数组， 然后统计app 进程的jvm 堆内存使用情况 ：

        private List<byte[]> jvmLeakList = new ArrayList<>();        public void addJvmLeak() {            byte[] largeByte = new byte[50 * 1024 * 1024];            for (int i = 0; i < largeByte.length; ++i) {                largeByte[i] = 'a';//分配使用时,进程内存中物理内存才会使用            }            Log.i(TAG, "byte size: " + (largeByte.length / 1024 / 1024) + " mB");            jvmLeakList.add(largeByte);        }

查看输出日志 , 对比前后两次的堆内存变化：
在这里插入图片描述
多执行几次后，会触发oom 。先来看下oom 前的内存状况：

系统会主动触发gc ，输出art: Starting a blocking GC Alloc 和art: Alloc sticky concurrent mark sweep GC freed 0(0B) AllocSpace objects日志 ，解读如下：
在这里插入图片描述
当内存不足32m时，再次new 一个50M的byte 数组，就会抛出oom:
在这里插入图片描述
app 进程中真正剩余可用 jvm 堆内存是：

       //真正可用的内存,包含剩余可申请的内存       long actual_free_memory=max_memory-use_memory;

处理jvm 内存不足的情况

当大型app或者游戏app 遇到 jvm 内存(大多数为384m)不足时，可通过android:largeHeap="true"来增加，jvm 堆内存 会调整为512M峰值。
在这里插入图片描述

2.native内存

获取app 进程的native 堆内存，代码如下：

        private JSONObject statisticsNativeMemory() {        JSONObject jsonObject = new JSONObject();         // 当前进程中native层申请的堆内存，会随着时间而变化，加大或者减少        long totalNative = Debug.getNativeHeapSize() / 1024 / 1024;        //当进程中native层中已使用堆内存        long useNative = Debug.getNativeHeapAllocatedSize() / 1024 / 1024;        //当前进程中native层中剩余的堆内存        long freeNative = Debug.getNativeHeapFreeSize() / 1024 / 1024;        //.... }

在android 8.0 以后，bitamp 所占内存从jvm 堆内存移到native内存中，大大减少了oom的风险：

通过一个案例来进一步了解：

在android 8.0以上非64位的设备验证：

      public void addNativeLeak() {                        int width = 1024 * 8;            int height = 1024 * 8;            //bitmap 被创建时，会申请虚拟内存 256m=1024*8*1024*8*4            Bitmap bitmap = Bitmap.createBitmap(width, height, Bitmap.Config.ARGB_8888);            boolean draw=false;            if (draw) {                //当给bitmap绘制内容时，物理内存会增加; 物理内存是当真正需要使用时才会用到                Canvas canvas = new Canvas(bitmap);                paint.setAntiAlias(true);                paint.setColor(Color.WHITE);                canvas.drawCircle(width / 2, height / 2, width / 2, paint);            }            int pictureSize = bitmap.getByteCount() / 1024 / 1024;            int bitmapSize = bitmap.getAllocationByteCount() / 1024 / 1024;            Log.i(TAG, "bitmap size: " + bitmapSize + " mB" + " ,picture size: " + pictureSize + " mB");            nativeLeakList.add(bitmap);        }

启动一个线程，间隔几秒， 创建一个256m的bitmap ，输出当前native 内存情况：
在这里插入图片描述
当native 堆内存不断上涨，虚拟内存也会增加，直到oom。系统会输出Starting a blocking GC NativeAlloc标识当前native层内存不足。来看下， oom 前的native 内存情况：
在这里插入图片描述

3.app 进程中虚拟内存

先来了解下进程中虚拟内存与物理内存 概念：

PSS(Proportional Set Size): 物理内存，PSS = USS + 按比例包含共享库
在这里插入图片描述

RSS(Resident Set Size): 物理内存，RSS = USS + 包含共享库
在这里插入图片描述

VSS(Virtual Set Size): 虚拟内存，VSS = RSS + 未分配实际物理内存
在这里插入图片描述
虚拟内存： 虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换(来源百度百科)。在32位的app进程中，虚拟内存最大4G,往往3G就oom了。

更多虚拟内存知识，请阅读虚拟内存-维基百科。

获取app进程中虚拟内存和物理内存的方式：

        public JSONObject statisticsProcessMemory() {        JSONObject json = new JSONObject();        // Linux 的/proc/self/status文件。这个并不是一个真实存在的文件，而为 Linux 的一个内核接口        File file = new File(ProcCmd.cmd_app_status);        readFileLine(file, (line) -> {            try {                String s = null;                if (line.startsWith(MemoryKeys.ProcessKeys.key_threads)) {                    //进程中线程的数量                    s = line;                } else if (line.startsWith(MemoryKeys.ProcessKeys.key_vm_size)) {                    //整个进程中虚拟内存的总和(= VmLib+VmExe+VmData+VmStk),会动态变化增加                    s = line;                } else if (line.startsWith(MemoryKeys.ProcessKeys.key_vm_rss)) {                    // 进程中当前物理内存,即系统实际在物理内存上分配给程序的内存                    s = line;                }            //.....        });    }

还是以上面的bitmap 为例子，间隔几秒创建bitmap 时，看虚拟内存和物理内存的变化：
在这里插入图片描述
32位进程虚拟内存3G多的问题

等待多执行几次后，虚拟内存就耗尽，会oom：
在这里插入图片描述
在32位设备上app 进程中虚拟内存是3G 多，在一些沙盒插件化32位运行环境下，游戏项目很容易虚拟内存耗尽。

32位进程和64进程的内存分配情况如下所示：
在这里插入图片描述
每个进程中虚拟内存都是隔离的，互不干扰。

4.手机系统内存(处理器内存)

每个手机的处理器内存都是出厂时设置的，处理器内存也是物理内存。
在这里插入图片描述

解读下：

获取手机内存的代码如下：

      public JSONObject statisticsSystemMemory() {        JSONObject json = new JSONObject();        //"/proc/meminfo"        File file = new File(ProcCmd.cmd_system_meminfo);        readFileLine(file, new Block() {            long total, available;            @Override            public void block(String line) {                try {                    String s = null;                    if (line.startsWith(MemoryKeys.SystemKeys.key_mem_total)) {                        //手机处理器的内存，运行多少G                        s = line;                    } else if (line.startsWith(MemoryKeys.SystemKeys.key_mem_free)) {                        //手机系统剩余内存,不包含可回收的内存。[MemTotal-MemFree]就是已被用掉的内存                        s = line;                    } else if (line.startsWith(MemoryKeys.SystemKeys.key_mem_available)) {                        //手机系统可用内存：动态计算出的可用内存，包含mem_free + 可回收使用的内存，该值是一个估值。                        s = line;                    }                //....        });        return json;    }

每个app进程中物理内存共享手机处理器内存，物理内存是当真正需要使用时才会用到

以bitmap 为例子，创建空bitmap 时，会增加虚拟内存，但不会增加物理内存：
在这里插入图片描述

当bitmap 绘制内容，app进程的物理内存会变大，手机可用的物理内存在减少，直到OOM:

在这里插入图片描述

完整的测试验证代码：

package com.xingen.test.attemptdemo.oom;import android.app.ActivityManager;import android.graphics.Bitmap;import android.graphics.Canvas;import android.graphics.Color;import android.graphics.Paint;import android.net.Uri;import android.os.Debug;import android.os.Handler;import android.os.HandlerThread;import android.os.Process;import android.util.Log;import org.json.JSONArray;import org.json.JSONObject;import java.io.BufferedReader;import java.io.Closeable;import java.io.File;import java.io.FileReader;import java.util.ArrayList;import java.util.List;public class MemoryTask implements Runnable {    private static final String TAG = "statisticsMemory ";    private Handler memoryHandler;    private int loopTime = 5 * 1000;    private MonitorMemoryLeak leak;    public MemoryTask() {        this.leak = new MonitorMemoryLeak();    }    private static class MonitorMemoryLeak {        private List<byte[]> jvmLeakList = new ArrayList<>();        private List<Bitmap> nativeLeakList = new ArrayList<>();        private Paint paint = new Paint();        public void addJvmLeak() {            byte[] largeByte = new byte[50 * 1024 * 1024];            for (int i = 0; i < largeByte.length; ++i) {                largeByte[i] = 'a';//分配使用时,进程内存中物理内存才会使用            }            Log.i(TAG, "byte size: " + (largeByte.length / 1024 / 1024) + " mB");            jvmLeakList.add(largeByte);        }        public void addNativeLeak() {                        int width = 1024 * 8;            int height = 1024 * 8;            //bitmap 被创建时，会申请虚拟内存 256m=1024*8*1024*8*4            Bitmap bitmap = Bitmap.createBitmap(width, height, Bitmap.Config.ARGB_8888);            boolean draw=false;            if (draw) {                //当给bitmap绘制内容时，物理内存会增加; 物理内存是当真正需要使用时才会用到                Canvas canvas = new Canvas(bitmap);                paint.setAntiAlias(true);                paint.setColor(Color.WHITE);                canvas.drawCircle(width / 2, height / 2, width / 2, paint);            }            int pictureSize = bitmap.getByteCount() / 1024 / 1024;            int bitmapSize = bitmap.getAllocationByteCount() / 1024 / 1024;            Log.i(TAG, "bitmap size: " + bitmapSize + " mB" + " ,picture size: " + pictureSize + " mB");            nativeLeakList.add(bitmap);        }        void release() {            jvmLeakList.clear();            nativeLeakList.clear();        }    }    public enum  MonitorType{         java_leak,native_leak,all_leak    }    private MonitorType type=MonitorType.java_leak;    public MemoryTask setMonitorType(MonitorType type){        this.type=type;        return this;    }    public void startLoop() {        if (memoryHandler == null) {            HandlerThread thread = new HandlerThread("CheckMemoryThread");            thread.start();            memoryHandler = new Handler(thread.getLooper());            memoryHandler.postDelayed(this, loopTime);        }    }    @Override    public void run() {        switch (type){            default:                leak.addJvmLeak(); // 模拟增加jvm 内存泄漏                leak.addNativeLeak(); //模拟增加native 内存泄漏                break;            case java_leak:                leak.addJvmLeak(); // 模拟增加jvm 内存泄漏                break;            case native_leak:                leak.addNativeLeak(); //模拟增加native 内存泄漏                break;        }        Log.i(TAG, "start..........");        JSONObject json = statisticsMemory();        Log.i(TAG, "end..........");        memoryHandler.postDelayed(this, loopTime);    }    public void stop() {        memoryHandler.removeCallbacksAndMessages(null);        memoryHandler.getLooper().quit();        leak.release();    }        public JSONObject statisticsMemory() {        JSONObject array = new JSONObject();        try {            JSONObject json1= statisticsJVMMemory();            array.put("JVM", json1);            Log.i(TAG,"jvm: "+json1.toString());            JSONObject json2=statisticsNativeMemory();            array.put("Native",json2);            Log.i(TAG,"native: "+json2.toString());            JSONObject json3= statisticsProcessMemory();            array.put("Process",json3);            Log.i(TAG,"app process: "+json3.toString());            JSONObject json4=statisticsSystemMemory();            array.put("System",json4 );            Log.i(TAG,"system: "+json4.toString());        } catch (Exception e) {            e.printStackTrace();        }        return array;    }        private JSONObject statisticsNativeMemory() {        JSONObject jsonObject = new JSONObject();        long totalNative = Debug.getNativeHeapSize() / 1024 / 1024; // 当前进程中native层申请的堆内存，会随着时间而变化，加大或者减少        long useNative = Debug.getNativeHeapAllocatedSize() / 1024 / 1024;//当进程中native层中已使用堆内存        long freeNative = Debug.getNativeHeapFreeSize() / 1024 / 1024;//当前进程中native层中剩余的堆内存        try {            jsonObject.put(MemoryKeys.NativeKeys.key_native_total,totalNative+" mB");            jsonObject.put(MemoryKeys.NativeKeys.key_native_use,useNative+" mB");            jsonObject.put(MemoryKeys.NativeKeys.key_native_free,freeNative+" mB");            jsonObject.put(MemoryKeys.NativeKeys.key_free_rate,getTwoDecimalPlaces(((float) freeNative/totalNative)));        }catch (Exception e){            e.printStackTrace();        }        return jsonObject;    }    public static interface   ProcCmd{        String cmd_system_meminfo="/proc/meminfo"; //查看手机当前处理器内存状况        String cmd_app_status="/proc/self/status";//当前进程中状况，内存、线程、fd等等；        String cmd_app_limit="/proc/self/limits";//当前进程的限制，线程、fd的最大峰值    }        public JSONObject statisticsSystemMemory() {        JSONObject json = new JSONObject();        //"/proc/meminfo"        File file = new File(ProcCmd.cmd_system_meminfo);        readFileLine(file, new Block() {            long total, available;            @Override            public void block(String line) {                try {                    String s = null;                    if (line.startsWith(MemoryKeys.SystemKeys.key_mem_total)) {                        //手机处理器的内存，运行多少G                        s = line;                    } else if (line.startsWith(MemoryKeys.SystemKeys.key_mem_free)) {                        //手机系统剩余内存,不包含可回收的内存。[MemTotal-MemFree]就是已被用掉的内存                        s = line;                    } else if (line.startsWith(MemoryKeys.SystemKeys.key_mem_available)) {                        //手机系统可用内存：动态计算出的可用内存，包含mem_free + 可回收使用的内存，该值是一个估值。                        s = line;                    }                    if (s != null) {                        String[] array = s.split(":");                        String value = array[1].trim().split(" kB")[0];                        long size = Integer.valueOf(value) / 1024;                        json.put(array[0], size + " mB");                        if (s.startsWith(MemoryKeys.SystemKeys.key_mem_total)) {total = size;                        }                        if (s.startsWith(MemoryKeys.SystemKeys.key_mem_available)) {available = size;                        }                        if (total != 0 && available != 0) {json.put(MemoryKeys.SystemKeys.key_free_rate, getTwoDecimalPlaces((float) available / total));                        }                    }                } catch (Exception e) {                    e.printStackTrace();                }            }        });        return json;    }        public JSONObject statisticsProcessMemory() {        JSONObject json = new JSONObject();        // Linux 的/proc/self/status文件。这个并不是一个真实存在的文件，而为 Linux 的一个内核接口        File file = new File(ProcCmd.cmd_app_status);        readFileLine(file, (line) -> {            try {                String s = null;                if (line.startsWith(MemoryKeys.ProcessKeys.key_threads)) {                    //进程中线程的数量                    s = line;                } else if (line.startsWith(MemoryKeys.ProcessKeys.key_vm_size)) {                    //整个进程中虚拟内存的总和(= VmLib+VmExe+VmData+VmStk),会动态变化增加                    s = line;                } else if (line.startsWith(MemoryKeys.ProcessKeys.key_vm_rss)) {                    // 进程中当前物理内存,即系统实际在物理内存上分配给程序的内存                    s = line;                } else if (line.startsWith(MemoryKeys.ProcessKeys.key_vm_data)) {                    s = line;                } else if (line.startsWith(MemoryKeys.ProcessKeys.key_fd_size)) {                    s = line;                }                if (s != null) {                    String[] array = s.split("\\t");                    String name = array[0].split(":")[0];                    String value = array[1].trim();                    //进程中虚拟内存                    json.put(name, value);                }            } catch (Exception e) {                e.printStackTrace();            }        });        return json;    }    private static interface Block {        void block(String line);    }    private static void readFileLine(File file, Block block) {        BufferedReader reader = null;        try {            reader = new BufferedReader(new FileReader(file));            while (true) {                String line = reader.readLine();                if (line == null) {                    break;                } else {                    if (block != null) {                        block.block(line);                    }                    continue;                }            }        } catch (Exception e) {            e.printStackTrace();        } finally {            close(reader);        }    }    private static void close(Closeable closeable) {        try {            if (closeable == null) {                return;            }            closeable.close();        } catch (Exception e) {            e.printStackTrace();        }    }        public JSONObject statisticsJVMMemory() {        JSONObject json = new JSONObject();        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();        //进程中最大jvm 内存大小        long max_memory = runtime.maxMemory() / 1024;        //进程中申请的jvm内存大小，不等用于一定分配那么多内存(会随着时间变化而变化)        long apply_memory = runtime.totalMemory() / 1024;        //进程中申请内存中可使用的jvm内存大小        long free_memory = runtime.freeMemory() / 1024;        //进程中已经使用的jvm 内存        long use_memory = apply_memory - free_memory;        //计算出jvm 的内存使用率,超过0.8就需要警惕        float use_memory_rate = ((float) use_memory) / max_memory;        //真正可用的内存,包含剩余可申请的内存        long actual_free_memory=max_memory-use_memory;        try {            final String kB = " kB";            json.put(MemoryKeys.JvmMemoryKeys.key_max_memory, max_memory + kB);            json.put(MemoryKeys.JvmMemoryKeys.key_apply_memory, apply_memory + kB);            json.put(MemoryKeys.JvmMemoryKeys.key_free_memory, free_memory + kB);            json.put(MemoryKeys.JvmMemoryKeys.key_use_memory, use_memory + kB);            json.put(MemoryKeys.JvmMemoryKeys.key_use_memory_rate, getTwoDecimalPlaces(use_memory_rate));        } catch (Exception e) {            e.printStackTrace();        }        return json;    }    private static String getTwoDecimalPlaces(float value) {        return String.format("%.2f", value) + "%";    }    interface MemoryKeys {        interface JvmMemoryKeys {            String key_max_memory = "maxMemory";            String key_free_memory = "freeMemory";            String key_use_memory = "useMemory";            String key_apply_memory = "totalMemory";            String key_use_memory_rate = "use_memory_rate";        }        interface ProcessKeys {            String key_vm_size = "VmSize";//进程中虚拟内存总值            String key_vm_rss = "VmRSS"; //进程中已经使用的物理内存            String key_threads = "Threads";//当前进程中线程个数            String key_fd_size = "FDSize"; //当前进程中fd 资源个数(包含file、socket)            String key_vm_data = "VmData";// 当前进程中            String key_vm_peek = "VmPeak";        }        interface SystemKeys {            String key_mem_total = "MemTotal";            String key_mem_free = "MemFree";            String key_mem_available = "MemAvailable";            String key_commit_limit = "CommitLimit"; // committed_as的阀值,限制最大值            String key_committed_as = "Committed_AS";//所有进程申请内存总和,超过CommitLimit 越多越容易oom            String key_free_rate = "free_memory_rate";// 手机可用内存率        }        interface NativeKeys {            String key_native_total = "TotalNative";            String key_native_free = "freeNative";            String key_native_use="useNative";            String key_free_rate = "free_memory_rate";// 手机可用内存率        }    }}

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