#前言#
尽管Java虚拟机可以帮我们对内存进行回收,但是其回收的是Java虚拟机不再引用的对象。很多时候我们使用系统的IO流,Cursor,Receiver如果不及时释放,就会导致内存泄漏,这些场景是常见的,一般开发人员也都能够避免。但是,很多时候内存泄漏的现象不是很明显,比如内部类,Handler相关的使用导致的内存泄漏,或者你使用了第三方library的一些引用,比较消耗资源,但又不是像系统资源那样会引起你足够的注意去手动释放它们。当代码越来越多,如果结构不是很清晰,即使是常见的资源也有可能略掉,从而导致内存泄漏。内存泄漏很有可能会导致内存溢出,就是常说的OOM,从而导致应用crash,给用户一种糟糕的体验。该篇文章就是介绍内存分析工具MAT以及实战来帮你更好的分析内存问题。前面是相关概念介绍,最后通过内存泄漏分析,集合使用率,Hash性能分析,OQL快读定位空集合实战演示如何在实际应用中使用MAT。(通过一些静态检测也可以在开发期发现一些内存泄漏的问题,后面会有一些静态检测的文章)

#一 相关概念
Java虚拟机如何判定内存泄漏的呢?下面介绍一些相关概念

##1.1 GC Root ##
JAVA虚拟机通过可达性(Reachability)来判断对象是否存活,基本思想:以”GC Roots”的对象作为起始点向下搜索,搜索形成的路径称为引用链,当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连(即不可达的),则该对象被判定为可以被回收的对象,反之不能被回收。

GC Roots可以是以下任意对象

  • 一个在current thread(当前线程)的call stack(调用栈)上的对象(例如方法参数和局部变量)
  • 线程自身或者system class loader(系统类加载器)加载的类
  • native code(本地代码)保留的活动对象

##1.2 内存泄漏
对象无用了,但仍然可达(未释放),垃圾回收器无法回收。

##1.3 强(strong)、软(soft)、弱(weak)、虚(phantom)引用 ##

Strong references

普通的java引用,我们通常new的对象就是:
StringBuffer buffer = new StringBuffer();
如果一个对象通过一串强引用链可达,那么它就不会被垃圾回收。你肯定不希望自己正在使用的引用被垃圾回收器回收吧。但对于集合中的对象,应在不使用的时候移除掉,否则会占用更多的内存,导致内存泄漏。

##Soft reference
当对象是Soft reference可达时,gc会向系统申请更多内存,而不是直接回收它,当内存不足的时候才回收它。因此Soft reference适合用于构建一些缓存系统,比如图片缓存。

WeakReference

WeakReference不会强制对象保存在内存中。它拥有比较短暂的生命周期,允许你使用垃圾回收器的能力去权衡一个对象的可达性。在垃圾回收器扫描它所管辖的内存区域过程中,一旦gc发现对象是weakReference可达,就会把它放到ReferenceQueue中,等下次gc时回收它。
WeakReference<Widget> weakWidget = new WeakReference<Widget>(widget);
系统为我们提供了WeakHashMap,和HashMap类似,只是其key使用了weak reference。如果WeakHashMap的某个key被垃圾回收器回收,那么entity也会自动被remove。

由于WeakReference被GC回收的可能性较大,因此,在使用它之前,你需要通过weakObj.get()去判断目的对象引用是否已经被回收.

Reference queque

一旦WeakReference.get()返回null,它指向的对象就会被垃圾回收,那么WeakReference对象就没有用了,意味着你应该进行一些清理。比如在WeakHashMap中要把回收过的key从Map中删除掉,避免无用的的weakReference不断增长。
ReferenceQueue可以让你很容易地跟踪dead references。WeakReference类的构造函数有一个ReferenceQueue参数,当指向的对象被垃圾回收时,会把WeakReference对象放到ReferenceQueue中。这样,遍历ReferenceQueue可以得到所有回收过的WeakReference。

Phantom reference

和soft,weak Reference区别较大,它的get()方法总是返回null。这意味着你只能用PhantomReference本身,而得不到它指向的对象。当WeakReference指向的对象变得弱可达(weakly reachable)时会立即被放到ReferenceQueue中,这在finalization、garbage collection之前发生。理论上,你可以在finalize()方法中使对象“复活”(使一个强引用指向它就行了,gc不会回收它)。但没法复活PhantomReference指向的对象。而PhantomReference是在garbage collection之后被放到ReferenceQueue中的,没法复活。

关于Phantom reference的更多讨论,请参考:understanding-weak-references

#二 MAT相关视图和概念

2.1 Shallow Heap

Shallow size就是对象本身占用内存的大小,不包含其引用的对象内存,实际分析中作用不大。
常规对象(非数组)的ShallowSize由其成员变量的数量和类型决定
数组的shallow size有数组元素的类型(对象类型、基本类型)和数组长度决定

Shallow Size of a String object

class String{
    public final class String {8 Bytes header
    private char value[]; 4 Bytes
    private int offset; 4 Bytes
    private int count; 4 Bytes
    private int hash = 0; 4 Bytes
…}
"Shallow size“ of a String ==24 Bytes

java的对象成员都是些引用。真正的内存都在堆上,看起来是一堆原生的byte[], char[], int[],对象本身的内存都很小。所以我们可以看到以Shallow Heap进行排序的Histogram图中,排在第一位第二位的是byte,char

2.2 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。

Retained Set
当X被回收时那些将被GC回收的对象集合。

比如:
一个ArrayList持有100,000个对象,每一个占用16 bytes,移除这些ArrayList可以释放16 x 100,000 + X,X代表ArrayList的shallow大小。相对于shallow heap,RetainedHeap可以更精确的反映一个对象实际占用的大小(因为如果该对象释放,retained heap都可以被释放)。

2.3 Histogram

可列出每一个类的实例数。支持正则表达式查找,也可以计算出该类所有对象的retained size

2.4 Dominator Tree

Dominator Tree:对象之间dominator关系树。如果从GC Root到达Y的的所有path都经过X,那么我们称X dominates Y,或者X是Y的Dominator Dominator Tree由系统中复杂的对象图计算而来。从MAT的dominator tree中可以看到占用内存最大的对象以及每个对象的dominator。
我们也可以右键选择Immediate Dominator”来查看某个对象的dominator。

2.5 Path to GC Roots

查看一个对象到RC Roots的引用链
通常在排查内存泄漏的时候,我们会选择exclude all phantom/weak/soft etc.references,
意思是查看排除虚引用/弱引用/软引用等的引用链,因为被虚引用/弱引用/软引用的对象可以直接被GC给回收,我们要看的就是某个对象否还存在Strong 引用链(在导出HeapDump之前要手动出发GC来保证),如果有,则说明存在内存泄漏,然后再去排查具体引用。

###查看当前Object所有引用,被引用的对象:

####List objects with (以Dominator Tree的方式查看)
incoming references 引用到该对象的对象
outcoming references 被该对象引用的对象

####Show objects by class (以class的方式查看)
incoming references 引用到该对象的对象
outcoming references 被该对象引用的对象

2.6 OQL(Object Query Language)

类似SQL查询语言
Classes:Table
Objects:Rows
Fileds: Cols

select * from com.example.mat.Listener

查找size=0并且未使用过的ArrayList
select * from java.util.ArrayList where size=0 and modCount=0

查找所有的Activity
select * from instanceof android.app.Activity

2.7 内存快照对比

方式一:Compare To Another Heap Dump

直接进行比较

方式二:Compare Baseket

方式二比较根全面,可以直接给出百分比,而且还有更多比较选项

引出一个同事开发过程中的一个真实的例子,通过AS的Memory监测,他发现在微信支付完成后内存有突然大内存飙升的情况,后来通过Compare Baseket进行对比,发现内存增大了8M,并通过工具查看了bitmap的原图(如何查看Bitmap原图,可以参考高建武的文章:打开MAT中的Bitmap原图)。发现是微信回调页面一张背景图片占用了很大内存。

#三 MAT内存分析实战

##实战一 内存泄漏分析
关于如何安装和导出HeapDump文件 @高建武 已经写了,这里就不啰嗦了,请移步:
Android内存优化MAT使用入门
Android内存优化MAT使用进阶
这里强调一点就是在导出prof文件前,先手动出发一次GC,这样可以确保只保存那些无法回收的对象内存快照,另外Android Studio提供自动转换。

查找导致内存泄漏的类

既然环境已经搭好,heap dump也成功倒入,接下来就去分析问题

方式一:

  • 1.查找目标类
    如果在开发过程中,你的目标很明确,比如就是查找自己负责的Activity,那么通过包名或者Class筛选,OQL搜索都可以快速定位到
    OQL:
    点击OQL图标,在窗口输入select * from instanceof android.app.Activity 并按Ctrl + F5或者!按钮执行
  • 2.Paths to GC Roots:exclude all phantom/weak/soft etc.references
    查看一个对象到RC Roots是否存在引用链。要将虚引用/弱引用/软引用等排除,因为被虚引用/弱引用/软引用的对象可以直接被GC给回收.

  • 3.分析具体的引用为何没有被释放,并进行修复

小技巧:

  • 当目的不明确时,可以直接定位到RetainedHeap最大的Object,Select incoming references ,查看引用链,定位到可疑的对象然后Path to GC Roots进行引用链分析

  • 如果大对象筛选看不出区别,可以试试按照class分组,再寻找可疑对象进行GC引用链分析

  • 直接按照包名直接查看GC引用链,可以一次性筛选多个类,但是如下图所示,选项是 Merge Shortest Path to GCRoots,这个选项具体不是很明白,不过也能筛选出存在GC引用链的类,这种方式的准确性还待验证。

所以有时候进行MAT分析还是需要一些经验,能够帮你更快更准确的定位。

##实战二 集合使用率分析
集合在开发中会经常使用到,如何选择合适的数据结构的集合,初始容量是多少(太小,可能导致频繁扩容),太大,又会开销跟多内存。当这些问题不是很明确时或者想查看集合的使用情况时,可以通过MAT来进行分析。

###1.筛选目标对象

###2.Show Retained Set(查找当X被回收时那些将被GC回收的对象集合)

###3.筛选指定的Object(Hash Map,ArrayList)并按照大小进行分组

###4.查看指定类的Immediate dominators

Collections fill ratio

这种方式只能查看那些具有预分配内存能力的集合,比如HashMap,ArrayList。计算方式:”size / capacity”

我们可以与方式一中最后一张图所得的结果对比,一个是具体数,另一个有比例,是对应的。

##实战三 Hash相关性能分析
当Hash集合中过多的对象返回相同Hash值的时候,会严重影响性能(Hash算法原理自行搜索),这里来查找导致Hash集合的碰撞率较高的罪魁祸首。

1. Map Collision Ratio

检测每一个HashMap或者HashTable实例并按照碰撞率排序
碰撞率 = 碰撞的实体/Hash表中所有实体

2. 查看Immediate dominators


通过HashEntries查看key value

##Array等其它集合分析方法类似

##实战四 通过OQL快速定位未使用的集合 ##

###1. 通过OQL查询empty并且未修改过的集合:
select * from java.util.ArrayList where size=0 and modCount=0
类似的
select * from java.util.HashMap where size=0 and modCount=0
select * from java.util.Hashtable where count=0 and modCount=0

###2. Immediate dominators(查看引用者)

计算空集合的Retained Size值,查看浪费了多少内存

#四 LeakCanary - 强大的内存泄漏分析工具
LeakCanary是square开源的内存泄漏排查项目,很强大,内部会帮你手动触发GC然后分析强引用的GC引用链。如果存在GC引用链,说明有内存泄漏,会在你的手机上弹出个提示框,并且会自动在你手机上创建一个App。记录了每一次内存泄漏的GC引用链,通过它可以直接定位到内存泄漏的未释放的对象。原理和通过MAT分析内存泄漏是一样的,只是它完全自动化,省去了很大一部分的工作量。强烈建议集成LeakCanary。LeakCanary肯定是无法取代强大的MAT,因为它只是只分析内存泄漏,从上面的实战中,我们可以看到,MAT的强大之处是可以对内存中的任何信息进行分析。所以掌握MAT也是非常有必要的。另外在之前用的LeakCanary中发现在解析Heap Dump内存快照的时候会出现问题,存在小bug。

##参考文档
MemoryAnalyzer Wiki
Android内存优化MAT使用入门
Android内存优化MAT使用进阶
10-tips-for-using-the-eclipse-memory-analyzer
analyzing-java-collections-usage-with-memory-analyzer
How-to-Find-Memory-Leaks
How_to_analyze_heap_dumps
memory-for-nothing