简析Android的垃圾回收与内存泄露

Android系统是运行在Java虚拟机上的,作为嵌入式设备,内存往往非常有限,了解Android的垃圾回收机制,可以有效的防止内存泄露问题或者OOM问题。本文作为入门文章,将浅显的讨论垃圾回收与内存泄露的原理,不讨论Dalvik虚拟机底层机制或者native层面的问题。

1. 基础

在分析垃圾回收前,我们要复习Java与离散数学的基础。

  • 实例化:对象是类的一个实例,创建对象的过程也叫类的实例化。对象是以类为模板来创建的。比如Car car = new Car();,我们就创造了一个Car的实例(Create new class instance of Car)
  • 引用:某些对象的实例化需要其它的对象实例,比如ImageView的实例化就需要Context对象,就是表示ImageView对于Context持有引用(ImageView holds a reference to Context)。
  • 有向图:在每条边上都标有有向线段的图称为有向图,Java中的garbage collection采用有向图的方式进行内存管理,箭头的方向表示引用关系,比如 B ← A ,就是B中需要A,B引用A。
  • 可达:有向图D={S,R}中,对于Si,Sj 属于S,如果从Si到Sj有任何一条通路存在,则可称Si可达Sj。也就是说,当B ← A中间箭头断了,就称作不可达,这时A就不可达B了。
  • Shallow heap 与 Retain heap 的对比
    • Shallow heap表示当前对象所消耗的内存
    • Retained heap表示当前对象所消耗的内存加上它引用的内存总合

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Google I/O 2011: Memory management for Android Apps

上图的橙色的Object是该有向图的起点,它的Shallow heap是100,而它的Retained heap是100 + 300 = 400。

2. 什么是垃圾回收

Java GC(Garbage Collection,垃圾收集,垃圾回收)机制,是Java与C++/C的主要区别之一,作为Java开发者,一般不需要专门编写内存回收和垃圾清理代码,对内存泄露和溢出的问题,也不需要像C程序员那样战战兢兢。这是因为在Java虚拟机中,存在自动内存管理和垃圾清扫机制。概括地说,该机制对虚拟机中的内存进行标记,并确定哪些内存需要回收,根据一定的回收策略,自动的回收内存,永不停息(Nerver Stop)的保证虚拟机中的内存空间,防止出现内存泄露和溢出问题。

3. 什么情况需要垃圾回收

对于GC来说,当程序员创建对象时,GC就开始监控这个对象的地址、大小以及使用情况。通常GC采用有向图的方式记录并管理堆中的所有对象,通过这种方式确定哪些对象时“可达”,哪些对象时“不可达”。当对象不可达的时候,即对象不再被引用的时候,就会被垃圾回收。

网上有很多文档介绍可达的关系了,如图,在第六行的时候,o2改变了指向,Obj2就不再引用main的了,即他它们是不可达的,Obj2就可能在下次的GC中被回收。

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developerWorks Java technology

4. 什么是内存泄露

当你不再需要某个实例后,但是这个对象却仍然被引用,防止被垃圾回收(Prevent from being bargage collected)。这个情况就叫做内存泄露(Memory Leak)。

下面将以How to Leak a Context: Handlers & Inner Classes这篇文章翻译为例,介绍一个内存泄露。

看如下的代码

  1. public class SampleActivity extends Activity {
  2.   private final Handler mLeakyHandler = new Handler() {    @Override
  3.     public void handleMessage(Message msg) {      // …
  4.     }
  5.   }
  6. }

当你打完这个代码后,IDE应该就会提醒你

  1. In Android, Handler classes should be static or leaks might occur.

它到底是如何泄露的呢?

  1. 当你启动一个application时,它会自动在主线程创建一个Looper对象,用于处理Handler中的message。Looper实现了简单的消息队列,在循环中一个接一个的处理Message对象。大多数Application框架事件(比如Activity生命周期调用,按钮点击等)都在Message中,它们在Looper的消息队列中一个接一个的处理。注意Looper是存在于application整个生命周期中。
  2. 当你新建了一个handler对象后,它会被分配给Looper的消息队列。被发送到消息队列的Message将保持对Handler的引用,因为当消息队列处理到这个消息时,需要使用[Handler#handleMessage(Message)](http://developer.android.com/reference/android/os/Handler.html#handleMessage(android.os.Message)这个方法。(也就是说,只要没有处理到这个Message,Handler就一直在队列中被引用)
  3. 在java中,非静态的内部Class与匿名Class对它们外部的Class有强引用。static inner class除外。

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引用关系

现在,我们尝试运行如下代码

  1. public class SampleActivity extends Activity {
  2.   private final Handler mLeakyHandler = new Handler() {    @Override
  3.     public void handleMessage(Message msg) {      // …
  4.     }
  5.   }  @Override
  6.   protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {    super.onCreate(savedInstanceState);    // Post a message and delay its execution for 10 minutes.
  7.     mLeakyHandler.postDelayed(new Runnable() {      @Override
  8.       public void run() { /* … */ }
  9.     }, 1000 * 60 * 10);    // Go back to the previous Activity.
  10.     finish();
  11.   }
  12. }

这个程序很简单,我们可以脑补一下,它应该是启动了又瞬间关闭,但是事实真的是关闭了吗?

稍有常识的人可以看出,它发送了一个Message,将在十分钟后运行,也就是说Message将被保持引用达到10分钟,这就照成了至少10分钟的内存泄露。

最后正确的代码如下

  1. ublic class SampleActivity extends Activity {
  2.   /**
  3.    * Instances of static inner classes do not hold an implicit
  4.    * reference to their outer class.
  5.    */
  6.   private static class MyHandler extends Handler {
  7.     private final WeakReference<SampleActivity> mActivity;
  8.     public MyHandler(SampleActivity activity) {
  9.       mActivity = new WeakReference<SampleActivity>(activity);
  10.     }    @Override
  11.     public void handleMessage(Message msg) {      SampleActivity activity = mActivity.get();      if (activity != null) {        // …
  12.       }
  13.     }
  14.   }  private final MyHandler mHandler = new MyHandler(this);  /**
  15.    * Instances of anonymous classes do not hold an implicit
  16.    * reference to their outer class when they are “static”.
  17.    */
  18.   private static final Runnable sRunnable = new Runnable() {      @Override
  19.       public void run() { /* … */ }
  20.   };  @Override
  21.   protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {    super.onCreate(savedInstanceState);    // Post a message and delay its execution for 10 minutes.
  22.     mHandler.postDelayed(sRunnable, 1000 * 60 * 10);    // Go back to the previous Activity.
  23.     finish();
  24.   }
  25. }

结论

  • GC是按照有向图是否可达来判断对象实例是否有用
  • 如果不在需要某个实例,却仍然被引用,这个情况叫做内存泄露
  • 匿名类/非静态类内部class会保持对它所在Activity的引用,使用时要注意它们的生命周期不能超过Activity,否则要用static inner class
  • 善于在Activy中的生命周期(比如onPause)中手动控制其他类的生命周期

最后再补充一下iOS的情况,iOS在新版的OC与Swift中,已经引入了新的内存管理体系ARC(auto reference counting,引用自动计数),C代码在编译时,编译器自动适时的添加释放内存的代码。

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