Flutter 上的內存泄漏監控

時間 2020-06-20

標籤 flutter 內存泄漏監控简体版

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一、前言

Flutter 所使用的 dart 語言具備垃圾回收機制，有垃圾回收就避免不了會內存泄漏。在 Android 平臺上有個內存泄漏檢測工具 LeakCanary ，它能夠方便的在 debug 環境下檢測當前頁面是否泄漏。本文將會帶你實現一個 flutter 可用的 LeakCanary，並講述我是怎麼用該工具檢測出了 1.9.1 framework 上的兩個泄漏。git

二、Dart 中的弱引用

在具備垃圾回收的語言中，弱引用是檢測對象是否泄漏的一個好方式。咱們只需弱引用觀測對象，等待下次 Full GC，若是 gc 以後對象爲 null，說明被回收了，若是不爲 null 就多是泄漏了github

Dart 語言中也有着弱引用，它叫 Expando<T> ，看下它的 api：web

class Expando<T> {
  external T operator [](Object object);
  external void operator []=(Object object, T value);
}
複製代碼

你可能會好奇上述代碼弱引用體如今哪裏呢？實際上是在 expando[key]=value 這個賦值語句上。Expando 會以弱引用的方式持有 key，這裏就是弱引用的地方。api

那麼問題來了，這個 Expando 弱引用持有的是 key，可是自己又沒有提供 getKey() 這樣的 api，咱們就無從下手去得知 key 這個對象是否被回收了。數組

爲了解決這個問題，咱們來看下 Expando 的具體實現，具體的代碼在 expando_path.dart：緩存

@path
class Expando<T> {
  // ...
  T operator [](Objet object) {
    var mask = _size - 1;
    var idx = object._identityHashCode & mask;
    // sdk 是把 key 放到了一個 _data 數組內，這個 wp 是個 _WeakProperty
    var wp = _data[idx];

    // ... 省略部分代碼
    return wp.value;
   	// ... 省略部分代碼
  }
}
複製代碼

注意: 此 patch 代碼不適用於 web 平臺websocket

咱們能夠發現這個 key 對象是放到了 _data 數組內，用了一個 _WeakProperty 來包裹，那麼這個 _WeakProperty 就是關鍵類了，看下它實現，代..碼在 weak_property.dart：markdown

@pragma("vm:entry-point")
class _WeakProperty {

  get key => _getKey();
  // ... 省略部分代碼
  _getKey() native "WeakProperty_getKey";
  // ... 省略部分代碼
}
複製代碼

這個類有咱們想要的 key，能夠用於判斷對象是否還在！app

怎麼獲取這種私有屬性和變量呢？flutter 中的 dart 是不支持反射的（爲了優化打包 size，關閉了反射），有沒有其它辦法來獲取到這種私有屬性呢？socket

答案確定是 「有」，爲了解決上述問題，我這邊介紹一個 dart 自帶的服務，Dart VM Service。

三、Dart vm_service

Dart VM Service （後面簡稱 vm_service）是 dart 虛擬機內部提供的一套 web 服務，數據傳輸協議是 JSON-RPC 2.0。不過咱們並不須要要本身去實現數據請求解析，官方已經寫好了一個可用的 dart sdk 給咱們用 vm_service。

ObjRef, Obj 和 id 的做用

先介紹 vm_service 中的核心內容：ObjRef、Obj、id

vm_service 返回的數據主要分爲兩大類， ObjRef（引用類型）和 Obj（對象實例類型）。其中 Obj 完整的包含了 ObjRef 的數據，並在其基礎上增長了額外信息（ObjRef 只包含了一些基本信息，例如：id，name...）。

基本全部的 api 返回的數據都是 ObjRef，當 ObjRef 裏面的信息知足不了你的時候，再調用 getObject(,,,)來獲取 Obj。

關於 id： Obj 和 ObjRef 都含有 id，這個 id 是對象實例在 vm_service 裏面的一個標識符，vm_service 幾乎全部的 api 都須要經過 id 來操做，好比：getInstance(isolateId, classId, ...)、getIsolate(isolateId)、getObject(isolateId, objectId, ...)。

如何使用 vm_service 服務

vm_service 在啓動的時候會在本地開啓一個 websocket 服務，服務 uri 能夠在對應的平臺中得到：

Android 在 FlutterJNI.getObservatoryUri() 中
iOS 在 FlutterEngine.observatoryUrl

有了 uri 以後咱們就可使用 vm_service 的服務了，官方有一個幫咱們寫好的 sdk vm_service ，直接使用內部的 vmServiceConnectUri 就能夠得到一個可用的 VmService 對象。

vmServiceConnectUri 的參數須要是一個 ws 協議的 uri，默認獲取的是 http 協議，須要藉助 convertToWebSocketUrl方法轉化下

四、泄漏檢測實現

有了 vm_service 以後，咱們就能夠用它來彌補 Expando 的不足了。按照以前的分析，咱們要獲 Expando 的私有字段 _data，這裏可使用 getObject(isolateId, objectId) api，它的返回值是 Instance，內部的 fields 字段保存了當前對象的全部屬性。這樣咱們就能夠遍歷屬性獲取到 _data，來達到反射的效果。

如今的問題是 api 參數中的 isoateId 和 objectId 是啥，根據我前面介紹的 id 相關內容，它是對象在 vm_serive 中的標識符。也就是咱們只有經過 vm_service 才能夠獲取到這兩個參數。

IsolateId 的獲取

Isolate（隔離區）是 dart 裏面的一個很是重要的概念，基本上一個 isolate 至關於一個線程，可是和咱們日常接觸的線程不一樣的是：不一樣 isolate 之間的內存不共享。

由於有了上述特性，咱們在查找對象的時候也要帶上 isolateId。經過 vm_service 的 getVM() api 能夠獲取到虛擬機對象數據，再經過 isolates 字段能夠獲取到當前虛擬機全部的 isolate。

那麼怎麼篩選出咱們想要的 isolate 呢？這裏簡單起見只篩選主 isolate，這部分的篩選能夠查看 dev_tools 的源碼: service_manager.dart#_initSelectedIsolate 函數。

ObjectId 的獲取

咱們要獲取的 objectId 就是 expando 在 vm_service 中的 id，這裏能夠把問題擴展下：

如何獲取指定對象在 vm_service 中的 id？

這個問題比較麻煩，vm_service 中沒有實例對象和 id 轉換的 api，有個 getInstance(isolateId, classId, limit) 的 api，能夠獲取某個 classId 的全部子類實例，先不說如何獲取到想要的 classId，此 api 的性能和 limit 都讓人擔心。

沒有好辦法了嗎？其實咱們能夠藉助 Library 的 頂級函數（直接寫在當前文件，不在類中，例如 main 函數） 來實現該功能。

簡單說明下 Library 是什麼東西，dart 中的分包管理是根據 Library 來的，同一個 Library 內的類名不能重複，通常狀況下一個 dart 文件就是一個 Library，固然也有例外，好比：part of 和 export

vm_service 有個 invoke(isolateId, targetId, selector, argumentIds) api，能夠用來執行某個常規函數（getter、setter、構造函數、私有函數屬於很是規函數），其中若是 targetId 是 Library 的 id，那麼 invoke 執行的就是 Library 的頂級函數。

有了 invoke Library 頂級函數的路徑，就能夠用它實現對象轉id 了，代碼以下：

int _key = 0;
/// 頂級函數，必須常規方法，生成 key 用
String generateNewKey() {
  return "${++_key}";
}

Map<String, dynamic> _objCache = Map();
/// 頂級函數，根據 key 返回指定對象
dynamic keyToObj(String key) {
  return _objCache[key];
}

/// 對象轉 id
String obj2Id(VMService service, dynamic obj) async {
  
  // 找到 isolateId。這裏的方法就是前面講的 isolateId 獲取方法
  String isolateId = findMainIsolateId();
  // 找到當前 Library。這裏能夠遍歷 isolate 的 libraries 字段
  // 根據 uri 篩選出當前 Library 便可，具體不展開了
  String libraryId = findLibraryId();
  
  // 用 vm service 執行 generateNewKey 函數
  InstanceRef keyRef = await service.invoke(
    isolateId,
    libraryId,
    "generateNewKey",
    // 無參數，因此是空數組
    []
  );
  // 獲取 keyRef 的 String 值
  // 這是惟一一個能把 ObjRef 類型轉爲數值的 api
  String key = keyRef.valueAsString;
  
  _objCache[key] = obj;
  try {
    // 調用 keyToObj 頂級函數，傳入 key，獲取 obj
    InstanceRef valueRef = await service.invoke(
      isolateId,
      libraryId,
      "keyToObj",
      // 這裏注意，vm_service 須要的是 id，不是值
      [keyRef.id]
    )
    // 這裏的 id 就是 obj 對應的 id
    return valueRef.id;
  } finally {
    _objCache.remove(key);
  }
  return null;
}
複製代碼

對象泄漏判斷

如今咱們已經能夠獲取到 expando 實例在 vm_service 中的 id 了，接下來就簡單了

先經過 vm_service 獲取到 Instance，遍歷裏面的 fields 屬性，找到 _data 字段（注意 _data 是 ObjRef 類型），用一樣的辦法把 _data 字段轉成 Instance 類型（_data 是個數組，Obj 裏面有數組的 child 信息）。

遍歷 _data 字段，若是都是 null，代表咱們觀測的 key 對象已經被釋放了。若是 item 不爲 null，再次把 item 轉爲 Instance 對象，取它的 propertyKey （由於 item 是 _WeakProperty 類型，Instance 裏面特意爲 _WeakProperty 開了這個字段）。

強制 GC

文章開頭說到，若是要判斷對象是否泄漏，須要在 Full GC 以後判斷弱引用是否還在。有沒有辦法手動觸發 gc 呢？

答案是有的，vm_service 雖然沒有強制 gc 的 api，可是 dev_tools 的內存圖標右上角有個 GC 的按鈕，咱們仿照着它來操做就行！dev_tools 是調用了 vm_service 的 getAllocationProfile(isolateId, gc: true) api 來實現手動 gc 的。

至於這個 api 觸發的是否是 FULL GC，並無說明，我測試觸發的都是 FULL GC，若是要肯定在 FULL GC 以後檢測泄漏，能夠監聽 gc 事件流，vm_service 提供了該功能。

至此爲止，咱們已經能夠實現泄漏的監控，並且能夠獲取到泄漏目標在 vm_serive 中的 id 了，下面就開始獲取分析泄漏路徑。

五、獲取泄漏路徑

關於泄漏路徑的獲取，vm_service 提供了一個 api 叫 getRetainingPath(isolateId, objectId, limit)。直接使用此 api 就能夠獲取到泄漏對象到 gc root 的引用鏈信息，是否是感受很簡單？不過光這樣可不行，由於它有如下幾個坑點：

Expando 持有問題

若是在執行 getRetainingPath 的時候，泄漏對象被 expando 持有的話會產生如下兩個問題

由於該 api 返回的引用鏈只有一條，返回的引用鏈會通過 expando，致使沒法獲取真正的泄漏節點信息
在 arm 設備上會出現 native crash，具體錯誤出如今 utf8 字符解碼上

此問題很好解決，注意下在前面泄漏檢測完以後，釋放掉 expando 就行。

id 過時問題

Instance 類型的 id 和 Class、Library、Isolate 這種 id 不同，是會過時的。vm_service 中對於此類臨時 id 的緩存容量默認大小是 8192，是一個循環隊列。

由於此問題的存在，咱們在檢測到泄漏的時候，不能只保存泄漏對象的 id，須要保存原對象，並且不能強引用持有對象。因此這裏咱們仍是須要使用 expando 來保存咱們檢測到的泄漏對象，等到須要分析泄漏路徑的時候，再把對象專爲 id。

六、1.9.1 framework 上的內存泄漏

完成了泄漏檢測和路徑獲取以後，獲得了一個簡陋的 leakcanary 工具。當我在 1.9.1 版本的 framework 下測試此工具的時候發現，我觀測一個頁面它就泄漏一個頁面！！！

經過 dev_tools dump 出來的對象來看，的確泄漏了！

也就是 1.9.1 framework 裏面存在着泄漏，並且此泄漏會泄漏整個頁面。

接下來開始排查泄漏緣由，這裏就碰到一個問題：泄漏路徑太長。。。getRetainingPath 返回的鏈路長度有 300+，排查了一下午也沒有找到問題根源。

結論：直接根據 vm_service 返回的數據是很難分析問題來源的，須要對泄漏路徑的信息二次處理下。

如何縮短引用鏈

首先看下泄漏路徑爲何會這麼長，經過觀測返回的鏈路後發現，絕大部分的節點都是 flutter UI 組件節點（例如：widget、element、state、renderObject）。

也就是說引用鏈通過了 flutter 的組件樹，玩過 flutter 的應該都知道 flutter 組件樹的層次是很是深的。既然引用鏈長的緣由是由於包含了組件樹，並且組件樹基本都是成塊出現的，那咱們只要把引用鏈中的節點根據類型來分類、聚合，就能夠大幅縮短泄漏路徑了。

聚合

節點的分類作好了以後，就能夠把相同類型的節點聚合一下。這裏提下個人聚合方式

把 collection 類型的節點當作了鏈接節點，相鄰的相同節點合併到一個集合內，若是兩個相同類型的集合中間是經過 collection 節點相連的，就繼續把這兩個集合合併成一個集合，遞歸進行

經過 分類-聚合 的處理後，原先 300+ 的鏈路長度，能夠縮短爲 100+。

繼續排查 1.9.1 framework 的泄漏問題，路徑雖然縮短了，能夠找到問題大體出如今 FocusManager 節點上！可是具體問題仍是難以定位，主要有如下兩點：

引用鏈節點缺乏代碼位置：由於 RetainingObject 數據中只有 parentField、parentIndex 和 parentKey 三個字段來表示當前對象引用下一個對象的信息，經過該信息找代碼位置效率低下
沒法知道當前 flutter 組件節點的信息：好比 Text 的文本信息，element 所在的 widget 是啥，state 的生命週期狀態，當前組件屬於哪一個頁面。。等等

介於上述兩個痛點，還須要對泄漏節點的信息作擴展處理：

代碼位置：節點的引用代碼位置其實只須要解析 parentField 就行，經過 vm_serive 解析 class，取內部的 field，找到對應的 script 等信息。此方法能夠獲取到源碼
組件節點信息：flutter 的 UI 組件都是繼承自 Diagnosticable，也就是隻要是 Diagnosticable 類型的節點均可獲取到很是詳細的信息（dev_tools 調試時候，組件樹信息就是經過 Diagnosticable.debugFillProperties 方法獲取的）。除了這個還須要擴展當前組件所在 route 的信息，這個很重要，判斷組件所在頁面用

排查 1.9.1 framework 泄漏根源

經過上述的種種優化後，我獲得了下面這個工具，在兩個 _InkResponseState 節點中發現了問題：

泄漏路徑中有兩個 _InkResponseState 節點所屬的 route 信息不一樣，代表這兩個節點在兩個不一樣的頁面中。頂部 _InkResponseState 的描述信息顯示 lifecycle not mounted，說明組件已經銷燬了，可是仍是被 FocusManager 引用着！問題出如今這，來看下這部分代碼