Android 内存管理基础
本文转载自：Android内存管理基础
1.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RAM。
内存管理01.png
-
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。
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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 物理内存和虚拟内存
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。
内存管理02.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的现有进程孵化。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，系统会孵化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）。
内存管理03.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：
（1）VSS=100M+100M=200M;
（2）RSS=60M+100M=150M;
（3）PSS=60M+100/2=110M;
（4）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。
2.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：
内存管理04.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：
内存管理05.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。 ps：native层虚拟内存或物理内存不足时，都会发生OOM。
3.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。)：
内存管理06.png
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();
}
