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Android内存管理基础

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Android内存管理基础一、内存管理概览 Android 运行时 (ART) 和 Dalvik 虚拟机使用分页和内存映射来管理内存。 1.1 内存类型 Android 设备包含三种不同类型的内存：RAM、zRAM 和存储器。

一、内存管理概览

Android 运行时 (ART) 和 Dalvik 虚拟机使用分页和内存映射来管理内存。

1.1 内存类型

Android 设备包含三种不同类型的内存：RAM、zRAM 和存储器。请注意，CPU 和 GPU 访问同一个 RAM。 memory-types.svg

  • RAM（Random Access Memory，随机存取存储器） 是最快的内存类型，但其大小通常有限。
  • zRAM 是用于交换空间的 RAM 分区。所有数据在放入 zRAM 时都会进行压缩，然后在从 zRAM 向外复制时进行解压缩。这部分 RAM 会随着页面进出 zRAM 而增大或缩小。设备制造商可以设置 zRAM 大小上限。
  • 存储器中包含所有持久性数据（例如文件系统等），以及为所有应用、库和平台添加的对象代码。在 Android 上，存储器不像在其他 Linux 实现上那样用于交换空间，因为频繁写入会导致这种内存出现损坏，并缩短存储媒介的使用寿命。

1.2 物理内存 虚拟内存

1.2.1 物理内存

物理内存是指真实存在的插在主板内存槽上的内存条的容量，是Android系统中所有进程共享的存储空间；

1.2.2 虚拟内存

当进程申请内存时得到的是虚拟内存，虚拟内存是对物理内存的抽象；每个进程操作的是自己的虚拟内存，并由CPU负责虚拟内存地址与实际物理地址的映射。
500px-Virtual_memory.svg.png

需要注意的是，假如进程没有使用这些虚拟内存，那么不会建立虚拟地址与物理内存的映射。例如：

void main() {
    for (int i= 0; i < 512; i++)
    {
        malloc(1024 * 1024);
    }
}
// 结果分析：malloc只申请了内存并未使用，因此进程的虚拟内存大小VSZ是539M，而物理内存RSS只有3M。

进程在真正使用内存时，虚拟内存与物理内存才建立映射关系，例如：

vector<void*> mems;
void main() {
    for (int i= 0; i < 512; i++)
    {
        void *p = malloc(1024 * 1024);
        memset(p, 0, 1024 * 1024);
        mems.push_back(p);
    }
}
// 结果分析：用memset对申请的内存执行了写入操作，因此进程的虚拟内存大小VSZ是539M，而物理内存RSS增加到了527M。

1.2.3 虚拟内存的好处

（1）使应用程序不必管理共享内存空间；由于所有进程共享物理内存，所以物理内存常常是不连续的，而对应用程序来说，虚拟内存的内存地址是连续的，由CPU负责虚拟内存地址的映射；
（2）能够在进程之间共享库使用的内存；详见1.2.4；
（3）由于内存隔离而提高了安全性；
（4）通过使用分页或分段技术，可使用比物理内存大小更多的内存。

1.2.4 共享库内存

共享库所占内存：同一个共享库的代码在物理内存中只会存在一份，这块内存会映射到不同进程的虚拟内存中，对各个进程来说，就像是自己私有的内存一样，而对于系统来说，则是节省了内存的资源。
Android系统实现跨进程共享RAM页面的方式有：

  • 每个应用进程都从一个名为 Zygote 的现有进程分叉。系统启动并加载通用框架代码和资源（如 Activity 主题背景）时，Zygote 进程随之启动。为启动新的应用进程，系统会分叉 Zygote 进程，然后在新进程中加载并运行应用代码。这种方法使为框架代码和资源分配的大多数 RAM 页面可在所有应用进程之间共享。
  • 大多数静态数据会内存映射到一个进程中。这种方法使得数据不仅可以在进程之间共享，还可以在需要时换出。静态数据示例包括：Dalvik 代码（通过将其放入预先链接的 .odex 文件中进行直接内存映射）、应用资源（通过将资源表格设计为可内存映射的结构以及通过对齐 APK 的 zip 条目）和传统项目元素（如 .so 文件中的原生代码）。
  • 在很多地方，Android 使用明确分配的共享内存区域（通过 ashmem 或 gralloc）在进程间共享同一动态 RAM。例如，窗口 surface 使用在应用和屏幕合成器之间共享的内存，而光标缓冲区则使用在内容提供器和客户端之间共享的内存。

1.3 VSS RSS PSS USS区别

一个进程的内存信息可以用VSS RSS PSS USS来表示，含义如下：
VSS（Virtual Set Size）：虚拟内存大小（ps命令用VSZ表示）；
RSS（Resident Set Size）：常驻内存大小，应用使用的共享和非共享页面的数量；
PSS（Proportional Set Size）：按比例分摊的内存大小，应用使用的非共享内存加上共享内存的均匀分摊数量（例如，如果三个进程共享 3MB，则每个进程的 PSS 为 1MB）；
USS（Unique Set Size）：进程独占用的物理内存（不包含共享库占用的内存）； 20200414230206723.png

举例：已知：
（1）共享库libTest.so所占内存共100M，被进程A和进程B共同占用；
（2）进程A申请了100M内存，但是实际使用了60M内存；
则，进程A的VSS=100M+100M=200M; RSS=60M+100M=150M; PSS=60M+100/2=110M; USS=60M;

所以，如果想要知道所有进程使用了多少内存，那么可以使用PSS 或 RSS。计算 PSS 需要花很长时间，因为系统需要确定共享的页面以及共享页面的进程数量。RSS 不区分共享和非共享页面（因此计算起来更快），更适合跟踪内存分配量的变化。

1.4 Android系统的页面置换

RAM分为多个“页面”。通常，每个页面为 4KB 的内存。

  • 干净页：存储器中未经修改的文件副本；
  • 脏页：存储器中经过修改的文件副本。 Android系统上，不像在其他 Linux 实现上那样使用ROM存储器用于交换空间，因为频繁写入会导致ROM出现损坏，并缩短存储媒介的使用寿命。
    内核交换守护进程 (kswapd) 是 Linux 内核的一部分，用于将已使用内存转换为可用内存。当设备上的可用内存不足时，该守护进程将变为活动状态。Linux 内核设有可用内存上下限阈值。当可用内存降至下限阈值以下时，kswapd 开始回收内存。当可用内存达到上限阈值时，kswapd 停止回收内存。
    Android系统使用zRAM用于交换空间，对于私有脏页可由 kswapd 移动到zRAM/在zRAM中进行压缩以增加可用内存，在应用程序需要使用这部分内存时，再从zRAM中取出/在zRAM中解压。详见：内存页面置换策略

二、内存分析方法

2.1 adb常用内存分析命令

2.1.1 ps命令

ps命令可以列出Android系统中当前所有进程的信息：

>adb shell ps
USER           PID  PPID     VSZ    RSS WCHAN            ADDR S NAME           
root             1     0   60588   1360 0                   0 S init
root             2     0   60588   1360 0                   0 S [kthreadd]
root           144     2       0      0 0                   0 S [kswapd0]
root          1034     1 4286332  22916 0                   0 S zygote64
root          1035     1 1616152  25532 0                   0 S zygote
system         570     1   11356   1196 0                   0 S servicemanager
system        1655   958 4786828 277192 0                   0 S system_server
u0_a1166      9742  1035 1716624     20 0                   0 T com.bc.sample
root           727     1    9968   2204 0                   0 S lmkd
 >adb shell ps | grep com.bc.sample
u0_a1166      9742  1035 1716624     20 0                   0 T com.bc.sample

含义解释：
USER：进程所属用户；
PID：进程ID；
PPID：父进程ID；
VSZ：Virtual Memory Size虚拟内存占用大小，单位：kb
RSS：Resident Set Size物理内存占用大小，单位：kb
NAME：进程名；

2.1.2 dumpsys meminfo

dumpsys meminfo命令可以根据进程名(一般是包名)获取进程当前的内存使用情况：

#命令行输入
>adb shell dumpsys meminfo com.bc.sample
Applications Memory Usage (in Kilobytes):
Uptime: 654784890 Realtime: 2062282674

** MEMINFO in pid 13705 [com.bc.sample] **
                   Pss  Private  Private  SwapPss     Heap     Heap     Heap
                 Total    Dirty    Clean    Dirty     Size    Alloc     Free
                ------   ------   ------   ------   ------   ------   ------
  Native Heap     3445     3396        0       50     7680     6140     1539
  Dalvik Heap      667      612        0       68     2671     1135     1536
 Dalvik Other      360      348        0        0                           
        Stack       48       48        0        0                           
       Ashmem        2        0        0        0                           
      Gfx dev     1664     1576       88        0                           
    Other dev       12        0       12        0                           
     .so mmap     1528      180        0       31                           
    .apk mmap      166        0       28        0                           
    .ttf mmap       58        0        0        0                           
    .dex mmap     3834        4     1744        0                           
    .oat mmap      102        0        0        0                           
    .art mmap     3368     3036        4        7                           
   Other mmap       13        4        0        0                           
   EGL mtrack    18496    18496        0        0                           
    GL mtrack    14964    14964        0        0                           
      Unknown      473      464        0        6                           
        TOTAL    49362    43128     1876      162    10351     7275     3075 

 App Summary
                       Pss(KB)
                        ------
           Java Heap:     3652
         Native Heap:     3396
                Code:     1956
               Stack:       48
            Graphics:    35124
       Private Other:      828
              System:     4358 
               TOTAL:    49362       TOTAL SWAP PSS:      162

 Objects
               Views:       22         ViewRootImpl:        2
         AppContexts:        3           Activities:        1
              Assets:        3        AssetManagers:        4
       Local Binders:       15        Proxy Binders:       21
       Parcel memory:        3         Parcel count:       13
    Death Recipients:        2      OpenSSL Sockets:        0
            WebViews:        0 

 Dalvik
         isLargeHeap:    false 

 SQL
         MEMORY_USED:        0
  PAGECACHE_OVERFLOW:        0          MALLOC_SIZE:        0

2.1.3 adb shell cat /proc/meminfo

读取/proc/meminfo文件，可以获取系统整体内存使用情况：

>adb shell cat /proc/meminfo
MemTotal:        5826364 kB   //内存总大小
MemFree:           85532 kB   //空闲内存总大小
MemAvailable:    3540368 kB
Buffers:          127840 kB
Cached:          3373548 kB
SwapCached:        10952 kB   
Active:          2928196 kB
Inactive:        1346956 kB
Active(anon):     427512 kB
Inactive(anon):   432012 kB
Active(file):    2500684 kB
Inactive(file):   914944 kB
Unevictable:       81280 kB
Mlocked:           81280 kB
SwapTotal:       2097148 kB   //交换空间总大小
SwapFree:        1449580 kB   //交换空间空闲大小

2.1.4 procrank

procrank命令可以获取系统中所有进程的VSS、RSS、PSS、USS的大小：

>adb shell procrank
PID Vss      Rss     Pss     Uss    cmdline
380 2195880K 210712K 111133K 67400K system_server
146 1561656K 63080  47628K  42036K zygote
868 1587984K 69500K  25414K  18480K com.android.launcher
145 2122596K 73552K  23428K  10972K zygote64

2.2 Android Studio Profiler

Android studio自带的profiler工具可以选择MEMORY查看当前内存使用情况，如下所示： memory-profiler-callouts_2x.png 其中列出了所选进程的内存使用情况，这里的java heap、native heap都是指虚拟内存大小： memory-profiler-counts_2x.png

2.3 代码获取

2.3.1 手机总内存情况MemoryInfo

MemoryInfo内包含的内存信息如下：

public static class MemoryInfo implements Parcelable {

    public long availMem;
    public long totalMem;
    public long threshold;
    public boolean lowMemory;
}

获取MemoryInfo的方式如下：

// Activity中已经实现了获取activityManager，自定义类中通过这种方式获取ActivityManager：
ActivityManager am = (ActivityManager) getSystemService(Context.ACTIVITY_SERVICE);
ActivityManager.MemoryInfo memoryInfo = new ActivityManager.MemoryInfo();
am.getMemoryInfo(memoryInfo);

Log.v(TAG,"手机总内存:" + memoryInfo.totalMem);
Log.v(TAG,"手机当前可用物理内存:" + memoryInfo.availMem);
Log.v(TAG,"Android系统认为低内存状态的阈值:" + memoryInfo.threshold);

2.3.2 读取/proc/meminfo文件

读取/proc/meminfo文件，同样可获取系统总内存情况，可获取的信息见2.1.3；代码如下：

public static long getRamSwapFree() {
    // // 系统内存信息文件
    String str1 = "/proc/meminfo"; 
    String str2;
    String[] arrayOfString;
    long swapFree = 0;
    InputStreamReader localFileReader = null;
    BufferedReader localBufferedReader = null;
    try {
        localFileReader = new InputStreamReader(new FileInputStream(str1), Charset.forName("utf-8"));
        localBufferedReader = new BufferedReader(localFileReader, 8192);
        while ((str2 = localBufferedReader.readLine()) != null) {
            arrayOfString = str2.split("\s+");
            if (arrayOfString.length >= 2) {
                String memType = arrayOfString[0];
                // 下面是个例子,类似地可获取其他更多信息
                if (TextUtils.equals(arrayOfString[0], "SwapFree:")) {
                    swapFree = Integer.parseInt(arrayOfString[1]);
                }
            }
        }
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    } finally {
        if (null != localBufferedReader) {
            try {
                localBufferedReader.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        if (null != localFileReader) {
            try {
                localFileReader.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    return swapFree / (1024);
}

2.3.3 获取当前进程PSS物理内存

Debug.MemoryInfo memoryInfo = new Debug.MemoryInfo();
Debug.getMemoryInfo(memoryInfo);
Log.v(TAG,"总PSS:"+memoryInfo.getTotalPss());
Log.v(TAG,"Java PSS:" + memoryInfo.dalvikPss);
Log.v(TAG,"Native PSS:" + memoryInfo.nativePss);
Log.v(TAG,"总RSS:"+memoryInfo.getTotalRss());

// 安卓6.0以上还可以使用如下方式：
Log.v(TAG,"安卓6.0以上，total-pss:"+memoryInfo.getMemoryStat("summary.total-pss"));
Log.v(TAG,"安卓6.0以上，java-heap:"+memoryInfo.getMemoryStat("summary.java-heap"));
Log.v(TAG,"安卓6.0以上，native-heap:"+memoryInfo.getMemoryStat("summary.native-heap"));
Log.v(TAG,"安卓6.0以上，code:"+memoryInfo.getMemoryStat("summary.code"));
Log.v(TAG,"安卓6.0以上，graphics:"+memoryInfo.getMemoryStat("summary.graphics"));

2.3.4 获取当前进程VSS虚拟内存

（1）获取java堆VSS

long javaMaxHeapSize = Runtime.getRuntime().maxMemory();
long javaTotalHeapSize = Runtime.getRuntime().totalMemory();
long javaFreeHeapSize = Runtime.getRuntime().freeMemory();
Log.v(TAG,"java堆最大内存大小:"+javaMaxHeapSize);
Log.v(TAG,"当前java堆内存大小:"+javaTotalHeapSize);
Log.v(TAG,"当前java堆空闲内存大小:"+javaFreeHeapSize);
  • maxMemory是虚拟机启动过程中就确定的，默认值根据RAM大小设定（192M (2G RAM)、192M (4G RAM)、256M (6G RAM)，但是也和具体的机型配置相关），如果开启了largeHeap就是512M）。
  • totalMemory是当前堆大小，最多能增加到maxMemory。 （2）获取native堆VSS
long nativeHeap = Debug.getNativeHeapSize();
long nativeAllocHeap = Debug.getNativeHeapAllocatedSize();
long nativeFreeSize = Debug.getNativeHeapFreeSize();
Log.v(TAG,"当前native堆内存大小:"+nativeHeap);
Log.v(TAG,"当前native堆已分配内存大小:"+nativeAllocHeap);
Log.v(TAG,"当前native堆空闲内存大小:"+nativeFreeSize);
  • native heap的增长并不受dalvik vm heapsize的限制，只要虚拟内存有剩余空间，应用程序可以一直在native heap上申请空间，见参考。 ps：native层虚拟内存或物理内存不足时，都会发生OOM。

三、低内存状态

3.1 LMK进程

很多时候，kswapd 不能为系统释放足够的内存。在这种情况下，系统会使用 onTrimMemory() 通知应用内存不足，应该减少其分配量。如果这还不够，内核会开始终止进程以释放内存。它会使用低内存终止守护进程 (LMK) 来执行此操作。
LMK 使用一个名为 oom_adj_score 的“内存不足”分值来确定正在运行的进程的优先级，以此决定要终止的进程。最高得分的进程最先被终止。后台应用最先被终止，系统进程最后被终止。下表列出了从高到低的 LMK 评分类别。评分最高的类别，即第一行中的项目将最先被终止(设备制造商可以更改 LMK 的行为。)： lmk-process-order.svg
以下是上表中各种类别的说明：

  • 后台应用：之前运行过且当前不处于活动状态的应用。LMK 将首先从具有最高 oom_adj_score 的应用开始终止后台应用。
  • 上一个应用：最近用过的后台应用。上一个应用比后台应用具有更高的优先级（得分更低），因为相比某个后台应用，用户更有可能切换到上一个应用。
  • 主屏幕应用：这是启动器应用。终止该应用会使壁纸消失。
  • 服务：服务由应用启动，可能包括同步或上传到云端。
  • 可觉察的应用：用户可通过某种方式察觉到的非前台应用，例如运行一个显示小界面的搜索进程或听音乐。
  • 前台应用：当前正在使用的应用。终止前台应用看起来就像是应用崩溃了，可能会向用户提示设备出了问题。
  • 持久性（服务）：这些是设备的核心服务，例如电话和 WLAN。
  • 系统：系统进程。这些进程被终止后，手机可能看起来即将重新启动。
  • 原生：系统使用的极低级别的进程（例如，kswapd）。

3.2 onTrimMemory()

上面介绍过，当内存不足时，系统会回调onTrimMemory()来通知应用程序内存不足，onTrimMemory()的定义如下：

public interface ComponentCallbacks2 extends ComponentCallbacks {
    void onTrimMemory(@TrimMemoryLevel int level);
}

对于Application、Activity、Fragment、Service、ContentProvider，源码中已经继承了ComponentCallbacks2接口，如果开发者需要自定义onTrimMemory的更多行为（例如收到内存不足回调时，进行一些内存释放工作），直接重写父类的方法即可；
如果开发者需要在自定义的类中接收ComponentCallbacks2系统回调，可按如下方式注册：

public class ComponentCallbacksDemo implements ComponentCallbacks2{
    
    public ComponentCallbacksDemo() {
        // 注册ComponentCallbacks回调
        getApplicationContext().registerComponentCallbacks(this);
    }
    
    @Override
    public void onTrimMemory(int level) {
        if (level >= TRIM_MEMORY_UI_HIDDEN) {
            // todo do some free memory work
        }
    }
    
    @Override
    public void onConfigurationChanged(@NonNull Configuration newConfig) {}
    
    @Override
    public void onLowMemory() {}
}

当onTrimMemory(int level)回调时，level表示内存等级，level有以下几种类型：

/** * Level for {@link #onTrimMemory(int)}: the process is nearing the end * of the background LRU list, and if more memory isn't found soon it will * be killed. */
static final int TRIM_MEMORY_COMPLETE = 80;

/** * Level for {@link #onTrimMemory(int)}: the process is around the middle * of the background LRU list; freeing memory can help the system keep * other processes running later in the list for better overall performance. */
static final int TRIM_MEMORY_MODERATE = 60;

/** * Level for {@link #onTrimMemory(int)}: the process has gone on to the * LRU list. This is a good opportunity to clean up resources that can * efficiently and quickly be re-built if the user returns to the app. */
static final int TRIM_MEMORY_BACKGROUND = 40;

/** * Level for {@link #onTrimMemory(int)}: the process had been showing * a user interface, and is no longer doing so. Large allocations with * the UI should be released at this point to allow memory to be better * managed. */
static final int TRIM_MEMORY_UI_HIDDEN = 20;

/** * Level for {@link #onTrimMemory(int)}: the process is not an expendable * background process, but the device is running extremely low on memory * and is about to not be able to keep any background processes running. * Your running process should free up as many non-critical resources as it * can to allow that memory to be used elsewhere. The next thing that * will happen after this is {@link #onLowMemory()} called to report that * nothing at all can be kept in the background, a situation that can start * to notably impact the user. */
static final int TRIM_MEMORY_RUNNING_CRITICAL = 15;

/** * Level for {@link #onTrimMemory(int)}: the process is not an expendable * background process, but the device is running low on memory. * Your running process should free up unneeded resources to allow that * memory to be used elsewhere. */
static final int TRIM_MEMORY_RUNNING_LOW = 10;

/** * Level for {@link #onTrimMemory(int)}: the process is not an expendable * background process, but the device is running moderately low on memory. * Your running process may want to release some unneeded resources for * use elsewhere. */
static final int TRIM_MEMORY_RUNNING_MODERATE = 5;

3.3 onLowMemory()

onTrimMemory是API 14及以上可使用，对于低系统可使用onLowMemory()，其等同于ComponentCallbacks2的当onTrimMemory(TRIM_MEMORY_COMPLETE}回调，对于高系统建议实现nTrimMemory()即可。

public interface ComponentCallbacks {
    void onConfigurationChanged(@NonNull Configuration newConfig);
    void onLowMemory();
}

The End

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内存管理概览：developer.android.com/topic/perfo…
内存分配：developer.android.com/topic/perfo… Android Studio Profiler：developer.android.com/studio/prof…
dalvik-heap：cs.android.com/android/pla…
blog.csdn.net/whbing1471/…
Android系统内存页面：developer.android.com/topic/perfo…
线上内存监控方案：mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI…

今天的文章Android内存管理基础分享到此就结束了，感谢您的阅读。

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