對于在開發(fā)中內(nèi)存的管理是尤為重要的，尤其是在軟件的設(shè)計中，今天我們就來講講有關(guān)于：“android要怎么進行內(nèi)存管理？”這個問題的解決方法和相關(guān)的解決思路分享！
前言
很高興遇見你~
內(nèi)存優(yōu)化一直是 Android 開發(fā)中的一個非常重要的話題，他直接影響著我們 app 的性能表現(xiàn)。但這個話題涉及到的內(nèi)容很廣且都偏向底層，讓很多開發(fā)者望而卻步。同時，內(nèi)存優(yōu)化更加偏向于“經(jīng)驗知識”，需要在實際項目中去應(yīng)用來學習。
因而本文并不想深入到底層去講內(nèi)存優(yōu)化的原理，而是著眼于宏觀，聊聊 android 是如何分配和管理內(nèi)存、在內(nèi)存不足的時候系統(tǒng)會如何處理以及會對用戶造成什么樣的影響。
Android 應(yīng)用基于 JVM 語言進行開發(fā)，雖然 google 根據(jù)移動設(shè)備特點開發(fā)了自家的虛擬機如 Dalvik、ART，但依舊是基于 JVM 模型，在堆區(qū)分配對象內(nèi)存。因此 Java heap（java 堆）是android應(yīng)用內(nèi)存分配和回收的重點。其次，移動設(shè)備的 RAM 非常有限，如何為進程分配以及管理內(nèi)存也是重中之重。
文章的主要內(nèi)容是分析 Java heap、RAM 的內(nèi)存管理，以及當內(nèi)存不夠時 android 會如何處理。
那么，我們開始吧。
Java Heap
Java Heap，也就是 JVM 中的堆區(qū)。簡單回顧一下 JVM 中運行時數(shù)據(jù)區(qū)域的劃分：
- 橙色區(qū)域的方法棧以及程序計數(shù)器屬于線程私有，主要存儲方法中的局部數(shù)據(jù)。
- 方法區(qū)主要存儲常量以及類信息，線程共享。
- 堆區(qū)主要負責存儲創(chuàng)建的對象，幾乎一切對象的內(nèi)存都在堆區(qū)中分配，同時也是線程共享。
我們在 android 程序中使用如 Object o = new Object() 代碼創(chuàng)建的對象都會在堆區(qū)中分配一塊內(nèi)存進行存儲，具體如何分配由虛擬機解決而不需要我們開發(fā)者干預。當一個對象不再使用時， JVM 中具有垃圾回收機制（GC），會自動釋放堆區(qū)中無用的對象，重新利用內(nèi)存。當我們請求分配的內(nèi)存已經(jīng)超過堆區(qū)的內(nèi)存大小，則會拋出 OOM 異常。
在 android 中，堆區(qū)是一個由 JVM 邏輯劃分的區(qū)域，他并不是真正的物理區(qū)域。堆區(qū)并不會直接全部映射和他等量大小的物理內(nèi)存，而是到了需要使用時，才會去建立邏輯地址和物理地址的映射：
這樣可以給應(yīng)用分配足夠的邏輯內(nèi)存大小，同時也不必在啟動時一次性分配一大塊的物理內(nèi)存。在相同大小的內(nèi)存中，可以運行更多的程序。
當堆區(qū)進程 GC 之后，釋放出來多余的空閑內(nèi)存，會返還給系統(tǒng)，減少物理內(nèi)存的占用。但這個過程涉及到比較復雜的系統(tǒng)調(diào)用，若釋放的內(nèi)存較為少量，可能得不償失，則無需返還給系統(tǒng)，在堆區(qū)中繼續(xù)使用即可。
在 GC 過程中，如果一個對象不再使用，但是其所占用的內(nèi)存無法被釋放，導致資源浪費，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)存泄漏。內(nèi)存泄露會導致堆區(qū)中的對象越來越多，內(nèi)存的壓力越來越大，甚至出現(xiàn) OOM 。因此，內(nèi)存泄露是我們必須要盡量避免的現(xiàn)象。
進程內(nèi)存分配
堆區(qū)的內(nèi)存分配，屬于進程內(nèi)的內(nèi)存分配，由進程自己管理。下面講一個應(yīng)用，系統(tǒng)是如何為其分配內(nèi)存的。
系統(tǒng)的運行內(nèi)存，即為我們常說的 RAM ，是應(yīng)用的運行空間。每個應(yīng)用必須裝入內(nèi)存中才可以被執(zhí)行：
- 我們安裝的應(yīng)用進程都位于硬盤中
- 當一個應(yīng)用被執(zhí)行時，需要裝入到 RAM 中才能被執(zhí)行（zRAM 是為了壓縮數(shù)據(jù)節(jié)省空間而設(shè)計，后續(xù)會講到）
- CPU 與 RAM 交互，讀取指令、數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)等
RAM 的大小為設(shè)備的硬件內(nèi)存大小，是非常寶貴的資源?，F(xiàn)代手機常見的運存是6G、8G或者12G，一些專為游戲研發(fā)的手機甚至有18G，但同時價格也會跟上去。
Android 采用分頁存儲的方式把一個進程存儲到 RAM 中。分頁存儲，簡單來說就是把內(nèi)存分割成很多個小塊，每個應(yīng)用占用不同的小塊，這些小塊也可以稱為頁：
前面講到，進程的堆區(qū)并不是一次性分配，當需要分配內(nèi)存時，系統(tǒng)會為其分配空閑的頁；當這些頁被回收，那么有可能被返還到系統(tǒng)中。
這里的頁、塊概念涉及到操作系統(tǒng)的分頁存儲，這里并不打算展開詳細講解，有興趣的讀者可以自行了解：分頁存儲-維基百科。本文中的“頁”與“塊”可以不嚴謹?shù)乩斫鉃橥瑐€概念，為了幫助理解這里不進行詳細地區(qū)分。
分配給進程的頁可以分為兩種類型：干凈頁、臟頁：
- 干凈頁：進程從硬盤中讀取數(shù)據(jù)或申請內(nèi)存之后未進行修改。這種類型的頁面在內(nèi)存不足的時候可以被回收，因為頁中存儲的數(shù)據(jù)可通過其他的途徑復原。
- 臟頁：進程對頁中的數(shù)據(jù)進行了修改或數(shù)據(jù)存儲。這類頁面不能被直接回收，否則會造成數(shù)據(jù)丟失，必須先進行數(shù)據(jù)存儲。
zRAM，是作為 RAM 中的一個分區(qū)，當內(nèi)存不足時，可以把一些類型的頁壓縮之后存儲在zRAM中，當需要使用的時候再從zRAM中調(diào)出。通過壓縮來節(jié)省應(yīng)用的空間占用，同時不需要與硬盤進行調(diào)度，提高了速度。
這里需要理解的一個點是：內(nèi)存中的操作速度要遠遠比硬盤操作快。即使與zRAM的調(diào)入和調(diào)出需要壓縮和解壓，其速度也是比與硬盤交互快得多。
內(nèi)存不足管理
前面我們一直強調(diào)，移動設(shè)備的內(nèi)存容量是非常有限的，需要我們非常謹慎地去使用它。幸運的是，JVM 和 android 系統(tǒng)早就幫我們想到了這一點。
面對不同的內(nèi)存壓力，android 會有不同的應(yīng)對策略。從低到高依次是 GC、內(nèi)核交換守護進程釋放內(nèi)存、低內(nèi)存終止守護進程殺死進程釋放內(nèi)存；他們的代價也是逐步上升。下面我們依個來介紹一下。
GC 垃圾回收
GC 屬于 JVM 內(nèi)部的內(nèi)存管理機制，他管理的內(nèi)存區(qū)域是堆區(qū)。當我們創(chuàng)建的對象越來多，堆區(qū)的壓力越來越大時，GC 機制就會啟動，開始回收堆區(qū)中的垃圾對象。
辨別一個對象是否是垃圾，虛擬機采用的是可達性分析法。即從一些確定活躍有用的對象出發(fā)，向下分析他的引用鏈；如果一個對象直接或者間接這些對象所引用，那么他就不是垃圾，否則就是垃圾。這些確定活躍有用的對象稱為 GC Roots：
如上圖，其中綠色的對象被 GC Roots 直接或間接引用，則不會被回收；灰色的對象沒有被引用則被標記為垃圾
GC Roots對象的類型比較常見的是靜態(tài)變量以及棧中的引用。靜態(tài)變量比較好理解，他在整個進程的執(zhí)行期間不會被回收，因此他肯定是有用的。棧，這里指的是 JVM 運行數(shù)據(jù)區(qū)域中的方法棧，也就是局部變量引用，在方法執(zhí)行期間肯定是活躍的。由于方法棧屬于線程私有，因此這里等于活躍線程持有的對象不會被回收。
因此，如果一個對象對于我們的程序不再使用，則必須解除 GC Roots 對其的引用，否則會造成內(nèi)存泄露。例如，不要把 activity 賦值給一個靜態(tài)變量，這樣會導致界面退出時activity無法被回收。
GC 也并不是直接對整個堆區(qū)進行回收，而是將堆區(qū)中的對象分成兩個部分：新生代、老年代。
剛創(chuàng)建的對象大都會被回收，而在多次回收中存活的對象則后續(xù)也很少被回收。新生代中存儲的對象主要是剛被創(chuàng)建不久的對象，而老年代則存儲著那些在多次 GC 中存活的對象。那么我們可以針對這些不同特性的對象，執(zhí)行不同的回收算法來提高GC性能：
- 對于新創(chuàng)建的對象，我們需要更加頻繁地對他們進行GC來釋放內(nèi)存，且每次只需要記錄需要留下來的對象即可，而不必要去標記其他大量需要被回收的對象，提高性能。
- 對于熬過很多次GC的對象，則可以以更低的頻率對他門進行GC，且每次只需要關(guān)注少量需要被回收的對象即可。
具體的垃圾回收算法就不繼續(xù)展開了，了解到這里就可以。感興趣的讀者可以閱讀相關(guān)書籍。
單次的垃圾回收速度是很快的，甚至我們都無法感知到。但當內(nèi)存壓力越來越大，垃圾回收的速度跟不上內(nèi)存分配的速度，此時就會出現(xiàn)內(nèi)存分配等待 GC 的情況，也就是發(fā)生了卡頓。同時，我們無法控制 GC 的時機，JVM 有一套完整的算法來決定什么時候進行 GC。假如在我們滑動界面的時候觸發(fā) GC ，那么展示出來的就是出現(xiàn)了掉幀情況。因此，做好內(nèi)存優(yōu)化，對于 app 的性能表現(xiàn)非常重要。
內(nèi)核交換守護進程
GC 是針對于 Java 程序內(nèi)部進行的優(yōu)化。對于移動設(shè)備來說，RAM 非常寶貴，如何在有限的 RAM 資源上進行分配內(nèi)存，也是一個非常重要的話題。
我們的應(yīng)用程序都運行在 RAM 中，當進程不斷申請內(nèi)存分配，RAM 的剩余內(nèi)存達到一定的閾值時，會啟動內(nèi)核交換守護進程來釋放內(nèi)存以滿足資源的分配。
內(nèi)核交換守護進程，是運行在系統(tǒng)內(nèi)核的一個進程，他主要的工作時回收干凈頁、壓縮頁等操作來釋放內(nèi)存。前面講到，android 是基于分頁存儲的操作系統(tǒng)，每個進程都會被存儲到一些頁中。分頁的類型有兩種：干凈頁、臟頁：
- 當內(nèi)核交換守護進程啟動時，他會把干凈頁回收以釋放內(nèi)存。當進程再次訪問干凈頁時，則需要去硬盤中再次讀取。
- 對于臟頁，內(nèi)核交換守護進程會把他們壓縮后放入 zRAM 中。當進程訪問臟頁時，則需要從zRAM中解壓出來。
通過不斷回收和壓縮分頁的方式來釋放內(nèi)存，以滿足新的內(nèi)存請求。使用此方式釋放的內(nèi)存也無法滿足新的內(nèi)存請求時，android 會啟動低內(nèi)存終止守護進程，來終止一些低優(yōu)先級的進程。
低內(nèi)存終止守護進程
當 RAM 的被占用內(nèi)存達到一定的閾值，android 會根據(jù)進程的優(yōu)先級，終止部分進程來釋放內(nèi)存。當?shù)蛢?nèi)存終止守護進程啟動時，說明系統(tǒng)的內(nèi)存壓力已經(jīng)非常大了，這在一些性能較差的設(shè)備中經(jīng)常出現(xiàn)。
進程的優(yōu)先級從高到低排序如下，優(yōu)先級更高的進程會優(yōu)先被終止：
圖片來源：developer.android.google.cn/topic/perfo…
從上到下依次是：
- 后臺應(yīng)用：使用過的 app 會被緩存在后臺，下一次打開可以更加快速地進行切換。當內(nèi)存不足時，此類應(yīng)用會最快被殺死。
- 上一個應(yīng)用：例如從微信跳轉(zhuǎn)到瀏覽器，此時微信就是上一個應(yīng)用。
- 主屏幕應(yīng)用：這是啟動器應(yīng)用，也就是我們的桌面。如果這個進程被kill了，那么返回桌面時會暫時黑屏。
- 服務(wù)：同步服務(wù)、上傳服務(wù)等等
- 可覺察的應(yīng)用：例如正在播放的音樂軟件，他可以被我們感知到，但是不在前臺。
- 前臺應(yīng)用：當前正在使用的應(yīng)用，如果這個應(yīng)用被kill了，需要向用戶報崩潰異常，此時的體驗是極差的。
- 持久性（服務(wù)）：這些是設(shè)備的核心服務(wù)，例如電話和 WLAN。
- 系統(tǒng)：系統(tǒng)進程。這些進程被終止后，手機可能即將重新啟動，就像手機突然卡死重啟。
- 原生：系統(tǒng)使用的極低級別的進程，例如我們的內(nèi)核交換守護進程。
當內(nèi)存不足，會按照上面的規(guī)則，從上到下來終止進程，獲得內(nèi)存資源。這也就是為什么在 android 中我們的后臺應(yīng)用一直被殺死。為了避免我們的應(yīng)用被優(yōu)化，內(nèi)存優(yōu)化就顯得非常重要了。
最后再來回顧一下：
- 在0-1階段，系統(tǒng)的內(nèi)存資源足夠，程序請求內(nèi)存分配，系統(tǒng)會不斷地使用空閑頁來滿足應(yīng)用的內(nèi)存請求
- 在1-2階段，系統(tǒng)的可利用內(nèi)存下降到一個閾值，程序繼續(xù)請求內(nèi)存分配，內(nèi)核交換守護進程啟動，開始釋放緩存來滿足內(nèi)存請求
- 在2-3階段，系統(tǒng)的被利用內(nèi)存達到一個閾值，系統(tǒng)將啟動低內(nèi)存終止守護進程來殺死進程釋放內(nèi)存
最后
我們文章分析了 android 是如何對內(nèi)存進行分配以及低內(nèi)存時如何釋放內(nèi)存來滿足內(nèi)存請求?？梢院苊黠@看到，當內(nèi)存不足時，會嚴重影響我們 app 的體驗甚至整個用戶手機的體驗：
- 當內(nèi)存不足會造成頻繁GC、回收干凈頁、回寫緩存，導致應(yīng)用緩慢、卡頓
- 如果設(shè)備內(nèi)存一直不夠，那么會一直殺死進程影響用戶體驗，特別是這些進程是用戶非常在意的如游戲、微信
- 內(nèi)存占用過高會讓app在后臺被殺死、或者讓用戶的其他app被殺死、甚至整個系統(tǒng)無法運行而直接崩潰重啟,
- 不是所有的設(shè)備都有著高內(nèi)存，有著設(shè)備只有很少的內(nèi)存，在一些性能較差的設(shè)備上甚至會無法運行，這樣我們就失去了這些設(shè)備的市場
反觀現(xiàn)在國內(nèi)的很多 app，有如扣扣、t寶、iqy，在我這個三年前的機器上運行會發(fā)生嚴重卡頓，偶爾還有ANR崩潰的出現(xiàn)；而當我去測試了youto、tele、Twit等 app ，發(fā)現(xiàn)基本不會發(fā)生卡頓，甚至在 youto 這樣有大量圖片視頻加載的 app 界面切換也盡享絲滑。這兩種 app 的體驗是有著天壤之別的。
本文沒有講如何進行內(nèi)存優(yōu)化，是因為這一塊的內(nèi)容設(shè)計到的太廣太深，無法在這篇文章中一并介紹。文章的目的只是為了幫助讀者了解android是如何管理內(nèi)存以及內(nèi)存不足可能造成的后果，對內(nèi)存的重要性能有一個感性的認知。
在文中小編詳細的講解了有關(guān)于“android要怎么進行內(nèi)存管理？”這個問題的解決方法，更多有關(guān)于android這方面的相關(guān)內(nèi)容我們都可以在W3Cschool進行學習和了解！
