Android内存泄露检测 LeakCanary2.0(Kotlin版)的实现原理

本文介绍了开源Android内存泄漏监控工具LeakCanary2.0版本的实现原理，同时介绍了新版本新增的hprof文件解析模块的实现原理，包括hprof文件协议格式、部分实现源码等。

一、概述

LeakCanary是一款非常常见的内存泄漏检测工具。经过一系列的变更升级，LeakCanary来到了2.0版本。2.0版本实现内存监控的基本原理和以往版本差异不大，比较重要的一点变化是2.0版本使用了自己的hprof文件解析器，不再依赖于HAHA，整个工具使用的语言也由Java切换到了Kotlin。本文结合源码对2.0版本的内存泄漏监控基本原理和hprof文件解析器实现原理做一个简单地分析介绍。

LeakCanary官方链接：https://square.github.io/leakcanary/

1.1 新旧差异

1.1.1 .接入方法

新版： 只需要在gradle配置即可。

dependencies {
  // debugImplementation because LeakCanary should only run in debug builds.
  debugImplementation 'com.squareup.leakcanary:leakcanary-android:2.5'
}

旧版： 1）gradle配置；2）Application 中初始化 LeakCanary.install(this) 。

敲黑板：

1）Leakcanary2.0版本的初始化在App进程拉起时自动完成；

2）初始化源代码：

internal sealed class AppWatcherInstaller : ContentProvider() {

  /**
   * [MainProcess] automatically sets up the LeakCanary code that runs in the main app process.
   */
  internal class MainProcess : AppWatcherInstaller()

  /**
   * When using the `leakcanary-android-process` artifact instead of `leakcanary-android`,
   * [LeakCanaryProcess] automatically sets up the LeakCanary code
   */
  internal class LeakCanaryProcess : AppWatcherInstaller()

  override fun onCreate(): Boolean {
    val application = context!!.applicationContext as Application
    AppWatcher.manualInstall(application)
    return true
  }
  //....
}

3）原理：ContentProvider的onCreate在Application的onCreate之前执行，因此在App进程拉起时会自动执行 AppWatcherInstaller 的onCreate生命周期，利用Android这种机制就可以完成自动初始化；

4）拓展：ContentProvider的onCreate方法在主进程中调用，因此一定不要执行耗时操作，不然会拖慢App启动速度。

1.1.2 整体功能

Leakcanary2.0版本开源了自己实现的hprof文件解析以及泄漏引用链查找的功能模块（命名为shark），后续章节会重点介绍该部分的实现原理。

1.2 整体架构

Leakcanary2.0版本主要增加了shark部分。

二、源码分析

LeakCananry自动检测步骤：

1. 检测可能泄漏的对象；

2. 堆快照，生成hprof文件；

3. 分析hprof文件；

4. 对泄漏进行分类。

2.1 检测实现

自动检测的对象包含以下四类：

• 销毁的Activity实例

• 销毁的Fragment实例\

• 销毁的View实例

• 清除的ViewModel实例

另外，LeakCanary也会检测 AppWatcher 监听的对象：

AppWatcher.objectWatcher.watch(myDetachedView, "View was detached")

2.1.1 LeakCanary初始化

AppWatcher.config ：其中包含是否监听Activity、Fragment等实例的开关；

Activity的生命周期监听：注册 Application.ActivityLifecycleCallbacks ；

Fragment的生命周期期监听：同样，注册** FragmentManager.FragmentLifecycleCallbacks** ，但Fragment较为复杂，因为Fragment有三种，即android.app.Fragment、androidx.fragment.app.Fragment、android.support.v4.app.Fragment，因此需要注册各自包下的FragmentManager.FragmentLifecycleCallbacks；

ViewModel的监听：由于ViewModel也是androidx下面的特性，因此其依赖androidx.fragment.app.Fragment的监听；

监听Application的可见性：不可见时触发HeapDump，检查存活对象是否存在泄漏。有Activity触发onActivityStarted则程序可见，Activity触发onActivityStopped则程序不可见，因此监听可见性也是注册 Application.ActivityLifecycleCallbacks 来实现的。

//InternalAppWatcher初始化
fun install(application: Application) {

    ......

    val configProvider = { AppWatcher.config }
    ActivityDestroyWatcher.install(application, objectWatcher, configProvider)
    FragmentDestroyWatcher.install(application, objectWatcher, configProvider)
    onAppWatcherInstalled(application)
  }

//InternalleakCanary初始化
override fun invoke(application: Application) {
    _application = application
    checkRunningInDebuggableBuild()

    AppWatcher.objectWatcher.addOnObjectRetainedListener(this)

    val heapDumper = AndroidHeapDumper(application, createLeakDirectoryProvider(application))

    val gcTrigger = GcTrigger.Default

    val configProvider = { LeakCanary.config }
    //异步线程执行耗时操作
    val handlerThread = HandlerThread(LEAK_CANARY_THREAD_NAME)
    handlerThread.start()
    val backgroundHandler = Handler(handlerThread.looper)

    heapDumpTrigger = HeapDumpTrigger(
        application, backgroundHandler, AppWatcher.objectWatcher, gcTrigger, heapDumper,
        configProvider
    )
    //Application 可见性监听
    application.registerVisibilityListener { applicationVisible ->
      this.applicationVisible = applicationVisible
      heapDumpTrigger.onApplicationVisibilityChanged(applicationVisible)
    }
    registerResumedActivityListener(application)
    addDynamicShortcut(application)

    disableDumpHeapInTests()
  }

2.1.2 如何检测泄漏

1）对象的监听者ObjectWatcher

ObjectWatcher 的关键代码：

@Synchronized fun watch(
    watchedObject: Any,
    description: String
  ) {
    if (!isEnabled()) {
      return
    }
    removeWeaklyReachableObjects()
    val key = UUID.randomUUID()
        .toString()
    val watchUptimeMillis = clock.uptimeMillis()
    val reference =
      KeyedWeakReference(watchedObject, key, description, watchUptimeMillis, queue)
    SharkLog.d {
      "Watching " +
          (if (watchedObject is Class<*>) watchedObject.toString() else "instance of ${watchedObject.javaClass.name}") +
          (if (description.isNotEmpty()) " ($description)" else "") +
          " with key $key"
    }

    watchedObjects[key] = reference
    checkRetainedExecutor.execute {
      moveToRetained(key)
    }
  }

关键类KeyedWeakReference：弱引用WeakReference和ReferenceQueue的联合使用，参考KeyedWeakReference的父类

WeakReference的构造方法。

这种使用可以实现如果弱引用关联的的对象被回收，则会把这个弱引用加入到queue中，利用这个机制可以在后续判断对象是否被回收。

2）检测留存的对象

private fun checkRetainedObjects(reason: String) {
    val config = configProvider()
    // A tick will be rescheduled when this is turned back on.
    if (!config.dumpHeap) {
      SharkLog.d { "Ignoring check for retained objects scheduled because $reason: LeakCanary.Config.dumpHeap is false" }
      return
    }

    //第一次移除不可达对象
    var retainedReferenceCount = objectWatcher.retainedObjectCount

    if (retainedReferenceCount > 0) {
        //主动出发GC
      gcTrigger.runGc()
        //第二次移除不可达对象
      retainedReferenceCount = objectWatcher.retainedObjectCount
    }

    //判断是否还有剩余的监听对象存活，且存活的个数是否超过阈值
    if (checkRetainedCount(retainedReferenceCount, config.retainedVisibleThreshold)) return

    ....

    SharkLog.d { "Check for retained objects found $retainedReferenceCount objects, dumping the heap" }
    dismissRetainedCountNotification()
    dumpHeap(retainedReferenceCount, retry = true)
  }

检测主要步骤：

• 第一次移除不可达对象：移除** ReferenceQueue** 中记录的KeyedWeakReference 对象（引用着监听的对象实例）；

• 主动触发GC：回收不可达的对象；

• 第二次移除不可达对象：经过一次GC后可以进一步导致只有WeakReference持有的对象被回收，因此再一次移除ReferenceQueue 中记录的KeyedWeakReference 对象；

• 判断是否还有剩余的监听对象存活，且存活的个数是否超过阈值；

• 若满足上面的条件，则抓取Hprof文件，实际调用的是android原生的Debug.dumpHprofData(heapDumpFile.absolutePath) ；

• 启动异步的HeapAnalyzerService 分析hprof文件，找到泄漏的GcRoot链路，这个也是后面的主要内容。

//HeapDumpTrigger
private fun dumpHeap(
    retainedReferenceCount: Int,
    retry: Boolean
  ) {

   ....

    HeapAnalyzerService.runAnalysis(application, heapDumpFile)
  }

2.2 Hprof 文件解析

解析入口：

//HeapAnalyzerService
private fun analyzeHeap(
    heapDumpFile: File,
    config: Config
  ): HeapAnalysis {
    val heapAnalyzer = HeapAnalyzer(this)

    val proguardMappingReader = try {
        //解析混淆文件
      ProguardMappingReader(assets.open(PROGUARD_MAPPING_FILE_NAME))
    } catch (e: IOException) {
      null
    }
    //分析hprof文件
    return heapAnalyzer.analyze(
        heapDumpFile = heapDumpFile,
        leakingObjectFinder = config.leakingObjectFinder,
        referenceMatchers = config.referenceMatchers,
        computeRetainedHeapSize = config.computeRetainedHeapSize,
        objectInspectors = config.objectInspectors,
        metadataExtractor = config.metadataExtractor,
        proguardMapping = proguardMappingReader?.readProguardMapping()
    )
  }

关于Hprof文件的解析细节，就需要牵扯到Hprof二进制文件协议：

http://hg.openjdk.java.net/jdk6/jdk6/jdk/raw-file/tip/src/share/demo/jvmti/hprof/manual.html#mozTocId848088

通过阅读协议文档，hprof的二进制文件结构大概如下：

解析流程：

fun analyze(
   heapDumpFile: File,
   leakingObjectFinder: LeakingObjectFinder,
   referenceMatchers: List<ReferenceMatcher> = emptyList(),
   computeRetainedHeapSize: Boolean = false,
   objectInspectors: List<ObjectInspector> = emptyList(),
   metadataExtractor: MetadataExtractor = MetadataExtractor.NO_OP,
   proguardMapping: ProguardMapping? = null
 ): HeapAnalysis {
   val analysisStartNanoTime = System.nanoTime()

   if (!heapDumpFile.exists()) {
     val exception = IllegalArgumentException("File does not exist: $heapDumpFile")
     return HeapAnalysisFailure(
         heapDumpFile, System.currentTimeMillis(), since(analysisStartNanoTime),
         HeapAnalysisException(exception)
     )
   }

   return try {
     listener.onAnalysisProgress(PARSING_HEAP_DUMP)
     Hprof.open(heapDumpFile)
         .use { hprof ->
           val graph = HprofHeapGraph.indexHprof(hprof, proguardMapping)//建立gragh
           val helpers =
             FindLeakInput(graph, referenceMatchers, computeRetainedHeapSize, objectInspectors)
           helpers.analyzeGraph(//分析graph
               metadataExtractor, leakingObjectFinder, heapDumpFile, analysisStartNanoTime
           )
         }
   } catch (exception: Throwable) {
     HeapAnalysisFailure(
         heapDumpFile, System.currentTimeMillis(), since(analysisStartNanoTime),
         HeapAnalysisException(exception)
     )
   }
 }

LeakCanary在建立对象实例Graph时，主要解析以下几种tag：

涉及到的GCRoot对象有以下几种：

2.2.1 构建内存索引（Graph内容索引）

LeakCanary会根据Hprof文件构建一个HprofHeapGraph 对象，该对象记录了以下成员变量：

interface HeapGraph {
  val identifierByteSize: Int
  /**
   * In memory store that can be used to store objects this [HeapGraph] instance.
   */
  val context: GraphContext
  /**
   * All GC roots which type matches types known to this heap graph and which point to non null
   * references. You can retrieve the object that a GC Root points to by calling [findObjectById]
   * with [GcRoot.id], however you need to first check that [objectExists] returns true because
   * GC roots can point to objects that don't exist in the heap dump.
   */
  val gcRoots: List<GcRoot>
  /**
   * Sequence of all objects in the heap dump.
   *
   * This sequence does not trigger any IO reads.
   */
  val objects: Sequence<HeapObject>  //所有对象的序列，包括类对象、实例对象、对象数组、原始类型数组

  val classes: Sequence<HeapClass>   //类对象序列

  val instances: Sequence<HeapInstance>   //实例对象数组

  val objectArrays: Sequence<HeapObjectArray>  //对象数组序列

  val primitiveArrays: Sequence<HeapPrimitiveArray>   //原始类型数组序列
}

为了方便快速定位到对应对象在hprof文件中的位置，LeakCanary提供了内存索引HprofInMemoryIndex ：

1. 建立字符串索引hprofStringCache（Key-value）：key是字符ID，value是字符串；

   作用： 可以根据类名，查询到字符ID，也可以根据字符ID查询到类名。

2. 建立类名索引classNames（Key-value）：key是类对象ID，value是类字符串ID；

   作用： 根据类对象ID查询类字符串ID。

3. 建立实例索引**instanceIndex（**Key-value）：key是实例对象ID，value是该对象在hprof文件中的位置以及类对象ID；

   作用： 快速定位实例的所处位置，方便解析实例字段的值。

4. 建立类对象索引classIndex（Key-value）：key是类对象ID，value是其他字段的二进制组合（父类ID、实例大小等等）；

   作用： 快速定位类对象的所处位置，方便解析类字段类型。

5. 建立对象数组索引objectArrayIndex（Key-value）：key是类对象ID，value是其他字段的二进制组合（hprof文件位置等等）；

   作用： 快速定位对象数组的所处位置，方便解析对象数组引用的对象。

6. 建立原始数组索引primitiveArrayIndex（Key-value）：key是类对象ID，value是其他字段的二进制组合（hprof文件位置、元素类型等等）；

2.2.2 找到泄漏的对象

1)由于需要检测的对象被

com.squareup.leakcanary.KeyedWeakReference 持有，所以可以根据

com.squareup.leakcanary.KeyedWeakReference 类名查询到类对象ID；

2) 解析对应类的实例域，找到字段名以及引用的对象ID，即泄漏的对象ID；

2.2.3找到最短的GCRoot引用链

根据解析到的GCRoot对象和泄露的对象，在graph中搜索最短引用链，这里采用的是广度优先遍历的算法进行搜索的：

//PathFinder
private fun State.findPathsFromGcRoots(): PathFindingResults {
    enqueueGcRoots()//1

    val shortestPathsToLeakingObjects = mutableListOf<ReferencePathNode>()
    visitingQueue@ while (queuesNotEmpty) {
      val node = poll()//2

      if (checkSeen(node)) {//2
        throw IllegalStateException(
            "Node $node objectId=${node.objectId} should not be enqueued when already visited or enqueued"
        )
      }

      if (node.objectId in leakingObjectIds) {//3
        shortestPathsToLeakingObjects.add(node)
        // Found all refs, stop searching (unless computing retained size)
        if (shortestPathsToLeakingObjects.size == leakingObjectIds.size) {//4
          if (computeRetainedHeapSize) {
            listener.onAnalysisProgress(FINDING_DOMINATORS)
          } else {
            break@visitingQueue
          }
        }
      }

      when (val heapObject = graph.findObjectById(node.objectId)) {//5
        is HeapClass -> visitClassRecord(heapObject, node)
        is HeapInstance -> visitInstance(heapObject, node)
        is HeapObjectArray -> visitObjectArray(heapObject, node)
      }
    }
    return PathFindingResults(shortestPathsToLeakingObjects, dominatedObjectIds)
  }

1）GCRoot对象都入队；

2）队列中的对象依次出队，判断对象是否访问过，若访问过，则抛异常，若没访问过则继续；

3）判断出队的对象id是否是需要检测的对象，若是则记录下来，若不是则继续；

4）判断已记录的对象ID数量是否等于泄漏对象的个数，若相等则搜索结束，相反则继续；

5）根据对象类型（类对象、实例对象、对象数组对象），按不同方式访问该对象，解析对象中引用的对象并入队，并重复2）。

入队的元素有相应的数据结构ReferencePathNode ，原理是链表，可以用来反推出引用链。

三、总结

Leakcanary2.0较之前的版本最大变化是改由kotlin实现以及开源了自己实现的hprof解析的代码，总体的思路是根据hprof文件的二进制协议将文件的内容解析成一个图的数据结构，当然这个结构需要很多细节的设计，本文并没有面面俱到，然后广度遍历这个图找到最短路径，路径的起始就是GCRoot对象，结束就是泄漏的对象。至于泄漏的对象的识别原理和之前的版本并没有差异。

作者：vivo 互联网客户端团队-Li Peidong