Android性能優(yōu)化之JVMTI與內(nèi)存分配
前言
內(nèi)存治理一直是每個(gè)開發(fā)者最關(guān)心的問題，我們?cè)谌粘ｉ_發(fā)中會(huì)遇到各種各樣的內(nèi)存問題，比如OOM，內(nèi)存泄露，內(nèi)存抖動(dòng)等等，這些問題都有以下共性：
- 難發(fā)現(xiàn)，內(nèi)存問題一般很難發(fā)現(xiàn)，業(yè)務(wù)開發(fā)中關(guān)系系數(shù)更少
- 治理困難，內(nèi)存問題治理困難，比如oom，往往堆棧只是壓死駱駝的最后一根稻草
- 易復(fù)發(fā)，幾乎沒有一種方案，能夠杜絕內(nèi)存問題，比如內(nèi)存泄露幾乎是100%存在，只是不同項(xiàng)目影響的范圍不同而已
內(nèi)存問題目前經(jīng)過業(yè)內(nèi)多年沉淀以及開發(fā)，已經(jīng)有很多方案了，比如檢查內(nèi)存泄露（LeakCanary，MIT，KOOM等）。相關(guān)文章已經(jīng)有很多，所以我們從另一個(gè)角度出發(fā)，虛擬機(jī)側(cè)有沒有想過的方案檢測(cè)內(nèi)存呢？有的，那就是JVMTI(Java Virtual Machine Tool Interface)即指 Java 虛擬機(jī)工具接口，它是一套由虛擬機(jī)直接提供的 native 接口，我們可以從這里面獲取虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)的大部分信息。
友情提示：本文涉及native c層的代碼，如果讀者不熟悉也沒關(guān)系，已經(jīng)盡量減少相關(guān)的代碼閱讀成本啦！沖就對(duì)啦！JVMTI在debug模式下有很多用處，當(dāng)然release環(huán)境也可以通過hook方式開啟，但是不太建議，雖然jvmti有諸多限制，但是不妨礙我們多了解一個(gè)“黑科技”
JVMTI
JVMTI 簡(jiǎn)介：
JVMTI，即由java虛擬機(jī)提供的面向虛擬機(jī)接口的一套監(jiān)控api，雖然虛擬機(jī)中一直存在，但是在android中是在Android 8.0（API 級(jí)別 26）或更高版本的設(shè)備上才正式支持。jvmti的功能本質(zhì)就是“埋點(diǎn)化”，把jvm的一些事件通過“監(jiān)聽”的方式暴露給外部開發(fā)調(diào)試
jvmti監(jiān)聽的事件包包含了虛擬機(jī)中線程、內(nèi)存、堆、棧、類、方法、變量，事件、定時(shí)器，鎖等創(chuàng)建銷毀相關(guān)事件，本次我們從實(shí)戰(zhàn)的角度出發(fā)，看看如何實(shí)現(xiàn)一次內(nèi)存分配的監(jiān)聽。
native層開啟jvmti
前置準(zhǔn)備
使用jvmti之前，我們需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)native工程，同時(shí)我們需要使用jvmti的api，在native中就是頭文件了，我們需要復(fù)制一份jdk中的名叫jvmti.h的頭文件（在我們安裝的jdk/include目錄下），到我們的項(xiàng)目cpp根目錄即可
此時(shí)我們也自定義一個(gè)memory.cpp作為我們使用jvmti的函數(shù)載體。jvmti.h里面包含了我們所需要的一切函數(shù)定義與常量，當(dāng)然，這個(gè)頭文件并不需要隨著native工程進(jìn)行打包，因?yàn)樵谡嬲褂玫絡(luò)vmti相關(guān)的工具時(shí)，是由系統(tǒng)進(jìn)行so依賴查找進(jìn)行定位的，該so位于系統(tǒng)庫(kù)中（libopenjdkjvmtid.so、libopenjdkjvmti.so），所以我們不用關(guān)心具體的實(shí)現(xiàn)，接下來我們按照步驟進(jìn)行即可，包括native層與java層
復(fù)寫Agent
作為第一步，我們需要復(fù)寫jvmti.h中的
JNIEXPORT jint JNICALL Agent_OnAttach(JavaVM* vm, char* options, void* reserved);
這個(gè)是jvmti中的agent初始化的時(shí)候，由native回調(diào)，在這里我們可以拿到JavaVM環(huán)境，同時(shí)可以創(chuàng)建jvmtiEnv對(duì)象，該對(duì)象非常重要，用于native進(jìn)行接下來的各種監(jiān)聽處理
// 全局的jvmti環(huán)境變量 jvmtiEnv *mJvmtiEnv;
extern "C"
JNIEXPORT jint JNICALL
Agent_OnAttach(JavaVM *vm, char *options, void *reserved) {
//準(zhǔn)備JVMTI環(huán)境，初始化mJvmtiEnv
vm->GetEnv((void **) &mJvmtiEnv, JVMTI_VERSION_1_2);
return JNI_OK;
}
開啟jvmtiCapabilities
默認(rèn)時(shí)，jvmti中是不提供任何能力給我們使用的，我們可以通過jvmtiEnv，去查詢當(dāng)前虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的哪幾種jvmti回調(diào)
jvmtiError GetPotentialCapabilities(jvmtiCapabilities* capabilities_ptr) {
return functions->GetPotentialCapabilities(this, capabilities_ptr);
}
jvmtiError AddCapabilities(const jvmtiCapabilities* capabilities_ptr) {
return functions->AddCapabilities(this, capabilities_ptr);
}
可以看到，我們只需要傳入一個(gè)jvmtiCapabilities對(duì)象指針即可，之后的能力數(shù)據(jù)就會(huì)被填充到該對(duì)象，所以我們接下來在Agent_OnAttach函數(shù)中繼續(xù)補(bǔ)充以下代碼
//初始化工作
extern "C"
JNIEXPORT jint JNICALL
Agent_OnAttach(JavaVM *vm, char *options, void *reserved) {
//準(zhǔn)備JVMTI環(huán)境，初始化mJvmtiEnv
vm->GetEnv((void **) &mJvmtiEnv, JVMTI_VERSION_1_2);
//開啟JVMTI的能力：到這一步啦??！
jvmtiCapabilities caps;
mJvmtiEnv->GetPotentialCapabilities(&caps);
mJvmtiEnv->AddCapabilities(&caps);
__android_log_print(ANDROID_LOG_ERROR, "hello", "Agent_OnAttach");
return JNI_OK;
}
設(shè)置jvmtiEventCallbacks
我們已經(jīng)查詢到了jvmti所支持的回調(diào)，這個(gè)時(shí)候就到了正式設(shè)置回調(diào)的環(huán)節(jié)，jvmti中支持以下幾種回調(diào)類型
typedef struct {
/* 50 : VM Initialization Event */
jvmtiEventVMInit VMInit;
/* 51 : VM Death Event */
jvmtiEventVMDeath VMDeath;
/* 52 : Thread Start */
jvmtiEventThreadStart ThreadStart;
/* 53 : Thread End */
jvmtiEventThreadEnd ThreadEnd;
/* 54 : Class File Load Hook */
jvmtiEventClassFileLoadHook ClassFileLoadHook;
/* 55 : Class Load */
jvmtiEventClassLoad ClassLoad;
/* 56 : Class Prepare */
jvmtiEventClassPrepare ClassPrepare;
/* 57 : VM Start Event */
jvmtiEventVMStart VMStart;
/* 58 : Exception */
jvmtiEventException Exception;
/* 59 : Exception Catch */
jvmtiEventExceptionCatch ExceptionCatch;
/* 60 : Single Step */
jvmtiEventSingleStep SingleStep;
/* 61 : Frame Pop */
jvmtiEventFramePop FramePop;
/* 62 : Breakpoint */
jvmtiEventBreakpoint Breakpoint;
/* 63 : Field Access */
jvmtiEventFieldAccess FieldAccess;
/* 64 : Field Modification */
jvmtiEventFieldModification FieldModification;
/* 65 : Method Entry */
jvmtiEventMethodEntry MethodEntry;
/* 66 : Method Exit */
jvmtiEventMethodExit MethodExit;
/* 67 : Native Method Bind */
jvmtiEventNativeMethodBind NativeMethodBind;
/* 68 : Compiled Method Load */
jvmtiEventCompiledMethodLoad CompiledMethodLoad;
/* 69 : Compiled Method Unload */
jvmtiEventCompiledMethodUnload CompiledMethodUnload;
/* 70 : Dynamic Code Generated */
jvmtiEventDynamicCodeGenerated DynamicCodeGenerated;
/* 71 : Data Dump Request */
jvmtiEventDataDumpRequest DataDumpRequest;
/* 72 */
jvmtiEventReserved reserved72;
/* 73 : Monitor Wait */
jvmtiEventMonitorWait MonitorWait;
/* 74 : Monitor Waited */
jvmtiEventMonitorWaited MonitorWaited;
/* 75 : Monitor Contended Enter */
jvmtiEventMonitorContendedEnter MonitorContendedEnter;
/* 76 : Monitor Contended Entered */
jvmtiEventMonitorContendedEntered MonitorContendedEntered;
/* 77 */
jvmtiEventReserved reserved77;
/* 78 */
jvmtiEventReserved reserved78;
/* 79 */
jvmtiEventReserved reserved79;
/* 80 : Resource Exhausted */
jvmtiEventResourceExhausted ResourceExhausted;
/* 81 : Garbage Collection Start */
jvmtiEventGarbageCollectionStart GarbageCollectionStart;
/* 82 : Garbage Collection Finish */
jvmtiEventGarbageCollectionFinish GarbageCollectionFinish;
/* 83 : Object Free */
jvmtiEventObjectFree ObjectFree;
/* 84 : VM Object Allocation */
jvmtiEventVMObjectAlloc VMObjectAlloc;
} jvmtiEventCallbacks;
我們需要監(jiān)聽的是內(nèi)存分配與銷毀的監(jiān)聽即可，分別是VMObjectAlloc與ObjectFree，在jvmtiEventCallbacks設(shè)定我們想要監(jiān)聽的事件之后，我們可以通過jvmtiEnv->SetEventCallbacks方法設(shè)定即可，所以我們可以繼續(xù)在Agent_OnAttach中補(bǔ)充以下代碼
jvmtiEventCallbacks callbacks; memset(&callbacks, 0, sizeof(callbacks)); callbacks.VMObjectAlloc = &objectAlloc; callbacks.ObjectFree = &objectFree; //設(shè)置回調(diào)函數(shù) mJvmtiEnv->SetEventCallbacks(&callbacks, sizeof(callbacks));
其中objectAlloc是我們自定義的監(jiān)聽處理函數(shù)，如果jvm執(zhí)行內(nèi)存分配事件，就會(huì)回調(diào)此函數(shù)，該函數(shù)定義是
typedef void (JNICALL *jvmtiEventVMObjectAlloc)
(jvmtiEnv *jvmti_env,
JNIEnv* jni_env,
jthread thread,
jobject object,
jclass object_klass,
jlong size);
所以我們自定義的回調(diào)函數(shù)也要根據(jù)此定義進(jìn)行編寫。因?yàn)檫@里會(huì)回調(diào)所有java層的對(duì)象創(chuàng)建事件，回調(diào)次數(shù)非常多，在實(shí)際中我們可能并不關(guān)心系統(tǒng)類是如何分配內(nèi)存的，而是關(guān)心我們自己的項(xiàng)目中的類的內(nèi)存情況，所以這里我們做一個(gè)過濾，只有是項(xiàng)目的類我們才進(jìn)行記錄
void JNICALL objectAlloc(jvmtiEnv *jvmti_env, JNIEnv *jni_env, jthread thread,
jobject object, jclass object_klass, jlong size) {
jvmti_env->SetTag(object, tag);
tag+= 1;
char *classSignature;
// 獲取類簽名
jvmti_env->GetClassSignature(object_klass, &classSignature, nullptr);
// 過濾條件
if(strstr(classSignature, "com/test/memory") != nullptr){
__android_log_print(ANDROID_LOG_ERROR, "hello", "%s",classSignature);
myVM->AttachCurrentThread( ¤tEnv, nullptr);
// 這個(gè)list我們之后解釋
list.push_back(tag);
char str[500];
char *format = "%s: object alloc {Tag:%lld} \r\n";
sprintf(str, format, classSignature,
tag);
memoryFile->write(str, sizeof(char) * strlen(str));
}
jvmti_env->Deallocate((unsigned char *) classSignature);
}
我們可以看到，我們?cè)谥虚g做了一個(gè)jvmti_env->SetTag的操作，這個(gè)是給這個(gè)分配的對(duì)象進(jìn)行了一個(gè)打標(biāo)簽的動(dòng)作（我們需要觀察該對(duì)象是否被銷毀，所以需要一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)符），我們會(huì)在釋放的時(shí)候用到。因?yàn)榛卣{(diào)的操作可能會(huì)有很多，我們采用普通的io必定會(huì)導(dǎo)致native層的阻塞，所以這里就要靠我們的mmap登場(chǎng)了，通過mmap我們可以高效的處理頻繁的io，mmap不熟悉的可以看這篇，memoryFile->write是一個(gè)通過mmap的寫文件操作。
objectFree是我們的釋放內(nèi)存的監(jiān)聽，它的函數(shù)定義是
typedef void (JNICALL *jvmtiEventObjectFree)
(jvmtiEnv *jvmti_env,
jlong tag);
可以看到，我們?cè)卺尫艃?nèi)存的時(shí)候得到的信息非常有限，只有一個(gè)tag，也就是我們?cè)诜峙鋬?nèi)存時(shí)通過SetTag操作所得到的參數(shù)，如果有設(shè)置就就會(huì)為具體的tag數(shù)值。我們?cè)谶@個(gè)函數(shù)中的業(yè)務(wù)邏輯就是記錄當(dāng)次的釋放記錄即可
void JNICALL objectFree(jvmtiEnv *jvmti_env,
jlong tag) {
std::list<int>::iterator it = std::find(list1.begin(), list1.end(), tag);
if (it != list.end()) // 找到了
{
__android_log_print(ANDROID_LOG_ERROR, "hello", "release %lld",tag);
char str[500];
char *format = "release tag %lld\r\n";
//ALOGI(format, GetCurrentSystemTime().c_str(),threadInfo.name, classSignature, size, tag);
sprintf(str, format,tag);
memoryFile->write(str, sizeof(char) * strlen(str));
}
}
我們?cè)倩氐缴鲜龃a留下的疑問，list是個(gè)什么？其實(shí)就是記錄了我們?cè)赩MObjectAlloc階段所分配的屬于我們自定義的類的tag，因?yàn)镺bjectFree提供給我們的信息非常有限，只有一個(gè)tag，如果不通過這個(gè)list保存分配內(nèi)存時(shí)的tag的話，就會(huì)導(dǎo)致釋放的時(shí)候我們引入過多的不必要的釋放記錄。但是這里也帶來了一個(gè)問題，就是我們需要時(shí)刻同步list的狀態(tài)，因?yàn)閖vmti是可以在多線程環(huán)境下回調(diào)，如果只是簡(jiǎn)單操作list的話就會(huì)帶來同步問題（這里我們沒有處理，為了demo的簡(jiǎn)單）真實(shí)操作上我們最好加入mutex鎖或者其他機(jī)制保證同步問題。
下面我們?cè)俳o出memoryFile->write的代碼
currentSize 記錄當(dāng)前大小 m_size 以頁(yè)為單位的默認(rèn)大小
void MemoryFile::write(char *data, int dataLen) {
mtx.lock();
if(currentSize + dataLen >= m_size){
resize(currentSize+dataLen);
}
memcpy(ptr + currentSize, data, dataLen);
currentSize += dataLen;
mtx.unlock();
}
void MemoryFile::resize(int32_t needSize) {
// 如果mmap的大小不夠，就需要重新進(jìn)行mmap操作，以頁(yè)為單位
int32_t oldSize = m_size;
do{
m_size *=2;
} while (m_size<needSize);
ftruncate(m_fd, m_size);
munmap(ptr, oldSize);
ptr = static_cast<int8_t *>(mmap(0,m_size,PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, m_fd, 0));
}
開啟監(jiān)聽
到這里，我們還沒有結(jié)束，我們需要真正的開啟監(jiān)聽，前面只是設(shè)置監(jiān)聽的操作，我們可以通過SetEventNotificationMode函數(shù)開啟真正監(jiān)聽/關(guān)閉監(jiān)聽
jvmtiError SetEventNotificationMode(jvmtiEventMode mode,
jvmtiEvent event_type,
jthread event_thread,
...) {
return functions->SetEventNotificationMode(this, mode, event_type, event_thread);
}
mode代表當(dāng)前狀態(tài)，是個(gè)枚舉,event_type就是我們要開啟監(jiān)聽的類型（這里我們指定為內(nèi)存分配與釋放事件即可），event_thread可以指定某個(gè)線程的內(nèi)存分配事件，null就是全局監(jiān)聽，所以我們的業(yè)務(wù)代碼如下
//開啟監(jiān)聽 mJvmtiEnv->SetEventNotificationMode(JVMTI_ENABLE, JVMTI_EVENT_VM_OBJECT_ALLOC, nullptr); mJvmtiEnv->SetEventNotificationMode(JVMTI_ENABLE, JVMTI_EVENT_OBJECT_FREE, nullptr);
java層開啟agent
通過在native層設(shè)置了jvmti的監(jiān)聽與實(shí)現(xiàn)，我們還要在java層通過Debug.attachJvmtiAgent（9.0）進(jìn)行開啟，這里有細(xì)微差距
import android.content.Context
import android.os.Build
import android.os.Debug
import android.util.Log
import java.io.File
import java.nio.file.Files
import java.nio.file.Paths
import java.util.*
object MemoryMonitor {
private const val JVMTI_LIB_NAME = "libjvmti-monitor.so"
fun init(context: Context) {
if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.O) {
//查找SO的路徑
val libDir: File = File(context.filesDir, "lib")
if (!libDir.exists()) {
libDir.mkdirs()
}
//判斷So庫(kù)是否存在，不存在復(fù)制過來
val libSo: File = File(libDir, JVMTI_LIB_NAME)
if (libSo.exists()) libSo.delete()
val findLibrary =
ClassLoader::class.java.getDeclaredMethod("findLibrary", String::class.java)
val libFilePath = findLibrary.invoke(context.classLoader, "jvmti-monitor") as String
Files.copy(
Paths.get(File(libFilePath).absolutePath), Paths.get(
libSo.absolutePath
)
)
//加載SO庫(kù)
val agentPath = libSo.absolutePath
System.load(agentPath)
//agent連接到JVMTI
attachAgent(agentPath, context.classLoader);
val logDir = File(context.filesDir, "log")
val path = "${logDir.absolutePath}/test.log"
initMemoryCallBack(path)
} else {
Log.e("memory", "jvmti 初始化異常")
}
}
//agent連接到JVMTI
private fun attachAgent(agentPath: String, classLoader: ClassLoader) {
//Android 9.0+
if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.P) {
Debug.attachJvmtiAgent(agentPath, null, classLoader)
} else {
//android 9.0以下版本使用反射方式加載
val vmDebugClazz = Class.forName("dalvik.system.VMDebug")
val attachAgentMethod = vmDebugClazz.getMethod("attachAgent", String::class.java)
attachAgentMethod.isAccessible = true
attachAgentMethod.invoke(null, agentPath)
}
}
// 設(shè)置mmap的文件path
external fun initMemoryCallBack(path: String)
}
attachJvmtiAgent方法需要實(shí)現(xiàn)了jvmti 的so庫(kù)的絕對(duì)地址，那么我們?nèi)绾尾檎乙粋€(gè)so庫(kù)的地址呢？其實(shí)就是通過ClassLoader的findLibrary方法，我們可以獲取到so的絕對(duì)地址，不過這個(gè)絕對(duì)地址不能夠直接用，我們看一下源碼attachJvmtiAgent
public static void attachJvmtiAgent(@NonNull String library, @Nullable String options,
@Nullable ClassLoader classLoader) throws IOException {
Preconditions.checkNotNull(library);
Preconditions.checkArgument(!library.contains("="));
if (options == null) {
VMDebug.attachAgent(library, classLoader);
} else {
VMDebug.attachAgent(library + "=" + options, classLoader);
}
}
其中attachJvmtiAgent 會(huì)進(jìn)行格式校驗(yàn)Preconditions.checkArgument(!library.contains("="))，恰好我們得到的so的地址是包含=的，所以才需要一個(gè)File的copy操作（拷貝到一個(gè)不包含=的目錄下）
驗(yàn)證分配數(shù)據(jù)
通過上面的jvmti操作，我們已經(jīng)可以將數(shù)據(jù)保存到本地文件了，本地文件的保存可以自己定義，這里我保存在context.filesDir目錄中/log子目錄下，同時(shí)我們生成一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)
package com.test.memory
data class TestData(val test:Int) {
}
override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
super.onCreate(savedInstanceState)
binding = ActivityMainBinding.inflate(layoutInflater)
setContentView(binding.root)
binding.sampleText.text = "Hello World"
TestData(1)
}
運(yùn)行后
我們就完成了一個(gè)內(nèi)存的記錄，通過該記錄我們就能夠分析哪些類引起了內(nèi)存問題（即存在分配tag不存在釋放tag）
總結(jié)
到這里，我們終于完成了一個(gè)jvmti的監(jiān)控操作！當(dāng)然，上面的代碼還有很多需要提升的地方，比如多線程引用，比如我們可以同時(shí)開啟MethodEntry的callback記錄一個(gè)方法的開始和結(jié)束，為內(nèi)存泄漏的定位做更加詳細(xì)的分析等等！因?yàn)槠邢蓿@里就當(dāng)作拓展留給讀者們自行實(shí)現(xiàn)啦,以上就是Android性能優(yōu)化之JVMTI與內(nèi)存分配的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Android性能JVMTI內(nèi)存分配的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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