Android内存管理及优化

前言：在Android开发中我们经常会遇到应用OOM的情况， 因此作为开发者了解应用的内存管理和对内存的优化是非常重要的。本文翻译自Google官方文档，如有不对的地方，请指出。

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Random Access Memory(RAM)在任何软件开发环境中都是非常重要的资源，但在物理内存通常很有限的移动操作系统上更为重要。尽管Android Runtime (ART)和Dalvik虚拟机扮演了垃圾回收的角色，但这并不意味着我们可以忽略应用的内存分配与释放的时机和位置。我们也需要避免引入Memory Leaks（内存泄漏，通常由于在Gm需要回收一些释放对象时扔持有对象引用在静态成员变量里，在释放一些引用对象在需要回收时）。

本文会解释Android是如何管理应用的内存分配，以及在开发Android应用的时候如何主动的减少内存的使用。

1、Android是如何管理内存的

Android的运行时（ART）和Dalvik虚拟机使用分页和内存映射（mmapping）来管理内存。这意味着，一个应用程序的任何内存修改，不管是通过分配新的对象还是触摸mmapped页，仍驻留在内存中，不能被调出。从应用程序释放内存的唯一方法是释放应用所持有的引用对象，使内存可用于垃圾收集器。有一个例外：没有修改mmapped中的任何文件，如代码，在系统在其他地方需要使用该内存时被换出RAM。

1. Garbage collection（垃圾回收）
一个管理内存的环境，如ART或Dalvik虚拟机，跟踪每一个内存分配。一旦它确定一块存储器不再被使用的程序，它释放回堆，不需要开发者的任何干预。对于托管内存环境中回收未使用的内存的机制被称为Garbage collection（垃圾回收）垃圾回收有两个目标：找到程序里未来不能被访问的对象并回收这些对象所使用的资源。

2.shared memory(共享内存)
为了适应在RAM中需要的一切，Android尝试共享跨进程内存的pages。它可以通过以下方式做到：
- 每一个app的process都是从Zygote(受精卵)的进程中fork出来的。Zygote进程在系统启动并且加载通用的framework的代码与资源（比如ActivityThemes）时开始启动。为了启动一个新的程序进程，系统会fork Zygote进程生成一个新的process，然后在新的process中加载并运行app的代码。这使得大多数的RAM pages被用来分配给framework的代码与资源，并在应用的所有进程中进行共享。
- 大多数static的数据被映射到一个进程中。这种方式可以使数据不仅能够在进程间进行共享，而且使得它能够在需要的时候被paged out。例如下面几种static的数据:
- Dalvik code (by placing it in a pre-linked .odex file for direct mmapping

   - App resources (by designing the resource table to be a structure that can  be mmapped and by aligning the zip entries of the APK)   - Traditional project elements like native code in .so files.   - 在很多地方，Android通过分配的共享内存(例如ashmem（匿名共享内存）或者gralloc)来实现跨进程共享内存。例如，window surfaces在app与screen compositor之间使用共享的内存，cursor buffers在content provider与client之间使用共享的内存。

3.分配和回收应用内存
每一个应用进程的Dalvik 都与一个虚拟的内存范围（heapSize）。这定义了一个了了逻辑堆的大小（heapSize），它可以随着需要增长至系统为每个应用设定的大小限制。

heapSize和实际物理上的内存数量是不等的。当检查app的堆时，Android会计算Proportional Set Size（PSS）的值，PSS是实际共享的内存大小，记录了那些和其他进程进行共享的内存。

Dalvik堆和逻辑堆得大小（heapSize）并不吻合，这意味着Android并没有使用碎片处理去关闭空闲区域。Android只有当堆末端有没用的空间时才能收缩逻辑堆大小（heapsize）,但系统仍然可以减少堆所占用的物理内存大小。在垃圾回收之后，Dalvik会遍历heap并找出不使用的pages，然后使用madvise把那些pages返回给kernal。因此，成对的allocations与deallocations大块的数据可以使得物理内存能够被正常的回收。然而，回收碎片化的内存则会使得效率低下很多，因为那些碎片化的分配页面也许会被其他地方所共享到。

4. 限制应用的内存

为了维持多任务的功能环境，Android为每一个app都设置了一个硬性的heap size限制。确切的heapsize限制随着设备可用的RAM大小而有差异，如果app的heapSize已经达到了最大限制而尝试分配更多的内存就会引起OutOfMemoryError，

如果想要查询当前设备的heap size限制大小是多少，然后决定cache的大小。可以通过 getMemoryClass()来查询。这个方法会返回一个整数，表明你的app heap size限制是多少。
也可以通过手机目录system>build.prop文件查看

5、切换应用

当用户切换两个应用时，Android会把那些不是前台的应用（）放在 least-recently used （LRU）cache里。比如说当用户第一次启动app时，系统就会为他创建一个进程，但是当用户退出应用是，之前创建的进程并没有退出，系统将进程缓存起来，当用户再返回到应用时，系统就会重用这个进程，这样会让应用切换的更快。

如果你的应用有一个被缓存的进程，虽然它没有被使用，但它仍被保留在内存中，这会影响系统的整体性能。当系统开始进入低内存状态时，它会杀掉Lrucache中最近使用最低的进程，系统也会把进程所占用的内存进行释放。

2、应用如何管理内存

一些Android特性、Java类和代码结构倾向于使用更多的内存。我们可以通过提高代码的效率来减少应用程序对内存的使用

• 减少Service的使用
  当我们需要启动一个Service进行后来操作时，只有当需要服务执行操作时再启动服务，当服务执行完毕时要及时销毁服务，否在我们在不经意间就会造成内存泄漏。当一个Service已经不需要了却没有销毁是最糟糕的一个内存管理错误。让一个不需要运行的服务运行是最糟糕的一种内存管理错误。

  当我们启动一个服务时，系统会倾向于一直保持服务所在的Process，这使得Service所在的Process非常浪费，因为系统没法把Service里所占用的没有用的RAM给其他的Process，这减少了系统能够缓存的进程的数量，使应用间的切换更加低效。它甚至会导致系统内存不稳定，不能够维持正在运行的服务。

  一般情况下应该尽量少使用持久性的Service,因为它一直需要占用内存。谷歌推荐我们使用 JobScheduler和 IntentService（当处理完Intent后会自动停止）。

• 使用高效的数据容器
  编程语言提供的一些类在移动设备上用效率并不是很高，例如使用HashMap就会是内存效率很低，因为它每一个映射都需要一个单独的实例。
  Android框架包括几个高效的数据容器,包括 SparseArray, SparseBooleanArray
  和 LongSparseArray.
  例如,SparseArray类更有效,因为他们避免系统的需要而去对key和value（有时会创建两个）进行autobox（自动装箱）。

• 注意代码抽象
  开发人员通常使用抽象仅仅作为一个良好的编程实践,因为抽象可以提高代码的灵活性和维护。然而,抽象代价巨大:通常需要大量更多的需要执行的代码,需要更多的时间和更多的RAM代码映射到内存中。如果你的抽象类不提供一个重要的作用,你应该避免他们。

• 使用nano protobufs序列化数据
  Protocol buffers是由谷歌设计用于序列化结构化数据的语言中立的,与平台无关的,可扩展的机制，和 XML类似，但是更小，更快，更简单。如果你决定让你的代码使用nano protobufs ，你应该一直使用nano protobufs在你的客户端代码里。常规protobufs生成非常冗长的代码,这可能会导致应用产生多种问题比如说增加了内存的使用,增加APK大小,执行慢。

• 避免内存流失
  正如前面所说的，垃圾回收机制并不影响app的性能。然而许多耗时很短的垃圾回收events能够迅速吃掉你的帧时间。系统花费在垃圾回收上的时间越多，它去做其它事情的时间就越少，比如渲染或者音频流。

  通常，内存流失会引起大量的垃圾回收事件，在实践中，内存流失描述了在指定时间内分配的临时对象的数量。

  例如，你可能会内分配多个临时对象在一个for循环里，或者在onDraw方法里创建Paint或者是Bitmap。这两种情况，都是快速的产生了大量的对象，这些都能很快消耗内存，迫使出现一个垃圾回收事件。

  所以我们需要找到代码流失比较高的地方，这样才能解决问题。推荐使用 Analyze your RAM usage工具找内存流失的地方。

• * 移除掉内存占用比较多的资源和库*
  我们的代码里可能会有一些吞噬内存的资源和库却不让我们知道。Apk的整体规模包括第三方的库和或者嵌入的资源会影响app内存的占用。你可以从你的代码中删除任何多余的，不必要的或臃肿的组件来提高应用程序的内存消耗。

• * 减少Apk的大小*
  减少APk的整体规模都能够显著的降低app的内存占用。Bitmap的大小，资源，帧动画和第三方库都会影响apk的大小。AndroidStudio和AndroidSDK提供了多种工具来帮助您降低资源和外部依赖的大小。详情可以查看Reduce APK Size.

• 谨慎使用依赖注入框架
  依赖注入框架如Guice或RoboGuice可以简化你写的代码，并提供一个自适应环境，这是测试和其他配置更改非常有用。然而，依赖框架并不总是为移动设备优化。

  例如，这些框架往往通过扫描你的代码注解初始化过程。这可需要大量代码不必要地映射到RAM中。系统分配这些映射到clean区让Android可以删除它们，这些只有当这些映射存在很长一段时间后才会发生。。。
  如果我们需要注解框架，可以使用 Dagger框架，Dagger没有使用反射扫描应用的代码。Dagger的严格执行意味着它可以在Android应用中使用，而不增加不必要的内存使用情况。

• * 谨慎使用扩展类库*
  扩展类库的代码往往不是为移动环境而编写的，当被用在移动客户端上工作时可能比较低效。当您决定使用一个外部库，您可能需要为移动设备优化该库。计划这项工作的前期，并决定在所有使用它之前分析代码大小和内存占用方面的库。

原文链接：
https://developer.android.com/topic/performance/memory.html
https://developer.android.com/topic/performance/memory-overview.html