Maxkit: Android 記憶體管理

Android Dalvik GC 採用 Mark and Sweep 處理機制，mark 會 traverse 整個 object tree，並將所有未被其他物件參考到的物件，標示為 unused，未被使用的物件，就可以被 GC。

APP 執行緒潛藏 memory leak 的風險，只有在 thread 終止時，他們使用到的物件才會被GC。

worker thread

當執行緒在執行時，Thread 物件本身會變成 GC root，他所參考到的物件都是可以到達的。而 Thread 與 Runnable instance 保存了只向其他物件的 references，必須等到 Thread 結束，才能回收那些物件。當 method return 後，方法裡面所建立的物件就能被 GC，除非該 method 將物件回傳給他的呼叫者，讓其他 method 可以使用該物件。

內部類別

inner class 是 outer class 的成員，可以存取外部類別的其他成員，因此內部類別隱含地參考到外部類別，被定義為內部類別的執行緒，保存了指向外部類別的 reference，只要執行緒還在執行，外部類別就不會被標示為可以被 GC。

定義為 local class 與 anonymous inner class 的執行緒跟外部類別的關係，與內部類別相同，在執行期間，可以讓外部類別從 GC Root 到達。

以下範例中，只要 SampleThread 還在執行中，在 Outer 類別裡的任何物件，都必須保存在記憶體中，伴隨著內部的 SampleThread 類別裡的物件。

public class Outer {
    public void sampleMethd() {
        SampleThread sampleThread = new SampleThread();
        sampleThread.start();
    }
    
    private class SampleThread extends Thread {
        public void run() {
            Object sampleObject = new Object();
        }
    }
}

靜態內部類別

static inner class 是外部類別 instance 的成員，定義在靜態內部類別的執行緒保存了指向外部物件的類別的 member reference，而不是直接只向外部物件，所以一旦指向外部物件的其他參考消失，就可以被 GC。

public class Outer {
    public void sampleMethd() {
        SampleThread sampleThread = new SampleThread();
        sampleThread.start();
    }
    
    private static class SampleThread extends Thread {
        public void run() {
            Object sampleObject = new Object();
        }
    }
}

在大多數情況下，我們會想要將 Thread 與 Runnable 分開，如果建立了新的 Runnable 作為內部類別，在執行期間會保存指向外部類別的 reference。

public class Outer {
    public void sampleMethd() {
        SampleThread sampleThread = new SampleThread(new Runnable () {
            @Override
            public void run() {
                Object sampleObject = new Object();
            }
        });
        sampleThread.start();
    }
    
    private static class SampleThread extends Thread {
        public SampleThread(Runnable runnable) {
            super(runnable);
        }
    }
}

執行緒溝通

執行緒跟訊息傳遞機制是 memory leak 的潛在根源。對收到訊息物件的 thread 來說，他必須使用 MessageQueue 來存放待處理的訊息，使用 Looper 派送訊息，使用 Handler 處理訊息，這些物件都會被 worker thread 參考。然而 Handler 是 memory leak 發生的主因，因為他是透過一系列物件，被 consumer thread 參考到的， Handler 跟他所參考到的物件，必須等到 thread 終止時，才能被 GC。

傳送資訊訊息

資料物件能以多種方式被傳遞，選擇哪一種實作方式，會決定 memory leak的規模。

public class Outer {
    Handler mHandler = new Handler() {
        public void handleMessage(Message msg) {
        }
    }
    
    public void doSend() {
        Message message = mHandler.obtainMessage();
        message.obj = new SampleObject();
        mHandler.sendMessageDelayed(message, 60*10000);
    }
}

發布任務訊息

Handler 與 Runnable 都會參考到 Outer，增加了 memory leak 的風險

public class Outer {
    Handler mHandler = new Handler() {
        public void handleMessage(Message msg) {
        }
    }
    
    public void doPost() {
        mHandler.post(new Runnable() {
            public void run() {
            }
        });
    }
}

如何避免 memory leak

使用靜態內部類別不使用具有外部物件參考的巢狀類別，改用靜態內部類別。因為他們只會參考到痊癒的 class object，而不是 instance object。
使用 WeakReference

WeakReference 可避免 reference counting。

public class Outer {
    private int mField;
    
    pirvate static class SampleThread extends Thread {
        private final WeakReference<Outer> mOuter;
        
        SampleThread(Outer outer) {
            mOuter = new WeakReference<Outer>(outer);
        }
        
        public void run() {
            if(mOuter.get() !=null ) {
                mOuter.get().mField=1;
            }
        }
    }
}

停止 Work Thread
保留 Work Thread

以 retain 的方式，保留舊物件給新的 Activity 使用。

清除 Message Queue

removeCallbacks(Runnable r)
removeCallbacks(Runnable r, Object token)
removeCallbacksAndMessages(Object token)
removeMessages(int what)
removeMessages(int what, Object object)

Android 管理執行緒的生命週期

每個 APP 必須管理他們建立的執行緒，避免發生 memory leak。

定義與啟動

定義與啟動 Thread 的方式會影響記憶體洩漏的風險與規模。以下是幾種建立執行緒的方式：

匿名內部類別：容易實作，但保有只向外部類別的參考，可能會產生記憶體洩漏

public class AnyObject {
    @UiThread
    public void anyMethod() {
        new Thread {
            public void run() {
                doLongRunningTask();
            }
        }.start();
    }
}

公用執行緒：將執行緒定義為獨立的類別

class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        doLongRunningTask();
    }
}
public class AnyObject {
    private MyThread myThread;

    @UiThread
    public void anyMethod() {
        myThread = new MyThread();
        myThread.start();
    }
}

靜態內部類別執行緒：在類別物件上定義執行緒，而不是 instance

public class AnyObject {
    static class MyThread extends Thread {
        public void run() {
            doLongRunningTask();
        }
    };

    private MyThread myThread;

    @UiThread
    public void anyMethod() {
        myThread = new MyThread();
        myThread.start();
    }
}

保留

因為執行緒的生命週期可能會超過啟動它的元件，或是 Activity 因為設備旋轉而重新產生了新的 Activity，這時候的背景執行緒只有舊的 Activity 才知道，也需要重新啟動一次執行緒。因此我們需要一個保留工作執行緒的方法。

public Object onRetainNonConfigurationInstance() 在組態改變前由平台呼叫，可以回傳想要保留並傳遞給新 Activity 的物件

public Object getLastNonConfigurationInstance() 組態改變後，可在 onCreate 或 onStart 中被呼叫，取回先前紀錄的物件

在 Activity 中保留 thread 的範例：

public class ThreadRetainActivity extends Activity {

    // worker thread 宣告為靜態內部類別
    private static class MyThread extends Thread {
        private ThreadRetainActivity mActivity;

        public MyThread(ThreadRetainActivity activity) {
            mActivity = activity;
        }

        // attach 用來記錄 Activity 的 reference
        private void attach(ThreadRetainActivity activity) {
            mActivity = activity;
        }

        @Override
        public void run() {
            final String text = getTextFromNetwork();
            mActivity.setText(text);
        }

        // Long operation
        private String getTextFromNetwork() {
            // Simulate network operation
            SystemClock.sleep(5000);
            return "Text from network";
        }
    }

    private static MyThread t;
    private TextView textView;

    @Override
    public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_retain_thread);
        textView = (TextView) findViewById(R.id.text_retain);

        // 查詢有沒有先前紀錄的物件
        Object retainedObject = getLastNonConfigurationInstance();
        if (retainedObject != null) {
            t = (MyThread) retainedObject;
            // 修改 worker thread 裡面記錄的 activity reference
            t.attach(this);
        }
    }

    @Override
    public Object onRetainNonConfigurationInstance() {
        // 在 worker thread 還在處理中時，回傳 t
        if (t != null && t.isAlive()) {
            return t;
        }
        return null;
    }

    public void onStartThread(View v) {
        // 啟動 thread
        t = new MyThread(this);
        t.start();
    }

    private void setText(final String text) {
        runOnUiThread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                textView.setText(text);
            }
        });
    }
}

在 Fragement 保留 thread 的方法：Fragment 通常用來處理部分 UI，可以將保留 thread instance 的責任轉交給 Fragment。

public class ThreadRetainWithFragmentActivity extends Activity {

    private static final String TAG = "ThreadRetainActivity";

    private static final String KEY_TEXT = "key_text";

    private ThreadFragment mThreadFragment;

    private TextView mTextView;

    public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_retain_thread);
        mTextView = (TextView) findViewById(R.id.text_retain);

        // Activity 第一次啟動，要產生 Fragment
        FragmentManager manager = getFragmentManager();
        mThreadFragment = (ThreadFragment) manager.findFragmentByTag("threadfragment");

        if (mThreadFragment == null) {
            FragmentTransaction transaction = manager.beginTransaction();
            mThreadFragment = new ThreadFragment();
            transaction.add(mThreadFragment, "threadfragment");
            transaction.commit();
        }
    }

    @Override
    protected void onRestoreInstanceState(Bundle savedInstanceState) {
        super.onRestoreInstanceState(savedInstanceState);
        mTextView.setText(savedInstanceState.getString(KEY_TEXT));
    }

    @Override
    protected void onSaveInstanceState(Bundle outState) {
        super.onSaveInstanceState(outState);
        outState.putString(KEY_TEXT, (String)mTextView.getText());
    }

    // Method called to start a worker thread
    public void onStartThread(View v) {
        // 啟動 worker thread
        mThreadFragment.execute();
    }

    public void setText(final String text) {
        // 讓 fragment 回頭更新 UI
        runOnUiThread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                mTextView.setText(text);
            }
        });
    }
}

public class ThreadFragment extends Fragment {

    // 保留上層的 Activity reference
    private ThreadRetainWithFragmentActivity mActivity;
    private MyThread t;
I
    private class MyThread extends Thread {

        @Override
        public void run() {
            final String text = getTextFromNetwork();
            mActivity.setText(text);
        }

        // Long operation
        private String getTextFromNetwork() {
            // Simulate network operation
            SystemClock.sleep(5000);
            return "Text from network";
        }
    }

    @Override
    public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        // 在狀態改變時，保留狀態
        setRetainInstance(true);
    }

    @Override
    public void onAttach(Activity activity) {
        super.onAttach(activity);
        mActivity = (ThreadRetainWithFragmentActivity) activity;
    }

    @Override
    public void onDetach() {
        super.onDetach();
        mActivity = null;
    }

    public void execute() {
        // 啟動 worker thread
        t = new MyThread();
        t.start();
    }
}

例外

如果執行緒因例外而結束，可以用 UncaughtExceptionHandler 捕捉此狀況。

執行緒全域處理器

static void setDefaultUncaughtExceptionHandler(Thread.UncaughtExceptionHandler handler);

執行緒區域處理器：比全域處理器還早被執行

void setDefaultUncaughtExceptionHandler(Thread.UncaughtExceptionHandler handler);

範例程式：

Thread t = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        throw new RuntimeException("unexpected error");
    }
});

t.setUncaughtExceptionHandler(new Thread.UncaughtExceptioHandler() {
    @Override
    pbulic void uncaughtException(Thread thread, Throwable throwable) {
        Log.d(TAG, throwable.toString());
    }
});

APP 裡面有一個全域的 UncaughtExceptionHandler，他會以 kill process 的方式，處理所有例外。可以針對所有 thread，以全域的方式複寫，將例外重導到此 handler。

Thread.setDefaultUncaughtEcceptionHandler(new ErrorReportExceptionHandler());

public class ErrorReportExceptionHandler implements Thread.UncaightExceptionHandler {
    private final Thread.UncaughtExceptionHandler defaultHandler;

    public ErrorReportExceptionHandler() {
        this.defaultHandler=Thread.getDefaultUncaughtExceptionHandler();
    }

    @Override
    public void uncaughtException(Thread thread, Throwable throwable) {
        reportErrorToFile(throwable);
        defaultHandler.uncaughtException(thread, throwable);
    }
}

Reference

Android 高效能多執行緒

2016/03/01

Android 記憶體管理

worker thread

執行緒溝通

如何避免 memory leak

Android 管理執行緒的生命週期

Reference

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