来看看Flutter是如何监控内存泄漏的

lazihuman
发布于 2020-9-4 18:02
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1、前言
Flutter 所使用的 dart 语言具有垃圾回收机制,有垃圾回收就避免不了会内存泄漏。在 Android 平台上有个内存泄漏检测工具 LeakCanary ,它可以方便的在 debug 环境下检测当前页面是否泄漏。本文将会带你实现一个 flutter 可用的 LeakCanary,并讲述我是怎么用该工具检测出了 1.9.1 framework 上的两个泄漏。

2、Dart 中的弱引用
在具有垃圾回收的语言中,弱引用是检测对象是否泄漏的一个好方式。我们只需弱引用观测对象,等待下次 Full GC,如果 gc 之后对象为 null,说明被回收了,如果不为 null 就可能是泄漏了

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

class Expando<T> {

  external T operator [](Object object);

  external void operator []=(Object object, T value);

}

你可能会好奇上述代码弱引用体现在哪里呢?其实是在 expando[key]=value 这个赋值语句上。Expando 会以弱引用的方式持有 key,这里就是弱引用的地方。

那么问题来了,这个 Expando 弱引用持有的是 key,但是本身又没有提供 getKey() 这样的 api,我们就无从下手去得知 key 这个对象是否被回收了。

为了解决这个问题,我们来看下 Expando 的具体实现,具体的代码在 expando_path.dart:

@pathclass Expando<T> {

  // ...

  T operator [](Objet object) {

    var mask = _size - 1;

    var idx = object._identityHashCode & mask;

    // sdk 是把 key 放到了一个 _data 数组内,这个 wp 是个 _WeakProperty

    var wp = _data[idx];




    // ... 省略部分代码

    return wp.value;

    // ... 省略部分代码

  }

}

注意: 此 patch 代码不适用于 web 平台

我们可以发现这个 key 对象是放到了 _data 数组内,用了一个 _WeakProperty 来包裹,那么这个 _WeakProperty 就是关键类了,看下它实现,代..码在

weak_property.dart:

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




  get key => _getKey();

  // ... 省略部分代码

  _getKey() native "WeakProperty_getKey";

  // ... 省略部分代码

}

这个类有我们想要的 key,可以用于判断对象是否还在!

怎么获取这种私有属性和变量呢?flutter 中的 dart 是不支持反射的(为了优化打包 size,关闭了反射),有没有其它办法来获取到这种私有属性呢?

答案肯定是 “有”,为了解决上述问题,我这边介绍一个 dart 自带的服务,Dart VM Service。

3、Dart vm_service
Dart VM Service (后面简称 vm_service)是 dart 虚拟机内部提供的一套 web 服务,数据传输协议是 JSON-RPC 2.0。不过我们并不需要要自己去实现数据请求解析,官方已经写好了一个可用的 dart sdk 给我们用 vm_service。

ObjRef, Obj 和 id 的作用
先介绍 vm_service 中的核心内容:ObjRef、Obj、id

vm_service 返回的数据主要分为两大类, ObjRef(引用类型) 和 Obj(对象实例类型)。其中 Obj 完整的包含了 ObjRef 的数据,并在其基础上增加了额外信息(ObjRef 只包含了一些基本信息,例如:id,name...)。

基本所有的 api 返回的数据都是 ObjRef,当 ObjRef 里面的信息满足不了你的时候,再调用 getObject(,,,)来获取 Obj。

关于 id: Obj 和 ObjRef 都含有 id,这个 id 是对象实例在 vm_service 里面的一个标识符,vm_service 几乎所有的 api 都需要通过 id 来操作,比如:getInstance(isolateId, classId, ...)、getIsolate(isolateId)、getObject(isolateId, objectId, ...)。

如何使用 vm_service 服务
vm_service 在启动的时候会在本地开启一个 websocket 服务,服务 uri 可以在对应的平台中获得:

· Android 在 FlutterJNI.getObservatoryUri() 中

· iOS 在 FlutterEngine.observatoryUrl

有了 uri 之后我们就可以使用 vm_service 的服务了,官方有一个帮我们写好的 sdk vm_service ,直接使用内部的 vmServiceConnectUri 就可以获得一个可用的 VmService 对象。

vmServiceConnectUri 的参数需要是一个 ws 协议的 uri,默认获取的是 http 协议,需要借助 convertToWebSocketUrl方法转化下

4、泄漏检测实现
有了 vm_service 之后,我们就可以用它来弥补 Expando 的不足了。按照之前的分析,我们要获 Expando 的私有字段 _data, 这里可以使用 getObject(isolateId, objectId) api,它的返回值是 Instance,内部的 fields 字段保存了当前对象的所有属性。这样我们就可以遍历属性获取到 _data,来达到反射的效果。

现在的问题是 api 参数中的 isoateId 和 objectId 是啥,根据我前面介绍的 id 相关内容,它是对象在 vm_serive 中的标识符。也就是我们只有通过 vm_service 才可以获取到这两个参数。

IsolateId 的获取
Isolate(隔离区)是 dart 里面的一个非常重要的概念,基本上一个 isolate 相当于一个线程,但是和我们平常接触的线程不同的是:不同 isolate 之间的内存不共享。

因为有了上述特性,我们在查找对象的时候也要带上 isolateId。通过 vm_service 的 getVM() api 可以获取到虚拟机对象数据,再通过 isolates 字段可以获取到当前虚拟机所有的 isolate。

那么怎么筛选出我们想要的 isolate 呢?这里简单起见只筛选主 isolate,这部分的筛选可以查看 dev_tools 的源码: service_manager.dart#_initSelectedIsolate 函数。

ObjectId 的获取
我们要获取的 objectId 就是 expando 在 vm_service 中的 id,这里可以把问题扩展下:

如何获取指定对象在 vm_service 中的 id?

这个问题比较麻烦,vm_service 中没有实例对象和 id 转换的 api,有个 getInstance(isolateId, classId, limit) 的 api,可以获取某个 classId 的所有子类实例,先不说如何获取到想要的 classId,此 api 的性能和 limit 都让人担忧。

没有好办法了吗?其实我们可以借助 Library 的 顶级函数(直接写在当前文件,不在类中,例如 main 函数) 来实现该功能。

简单说明下 Library 是什么东西,dart 中的分包管理是根据 Library 来的,同一个 Library 内的类名不能重复,一般情况下一个 dart 文件就是一个 Library,当然也有例外,比如:part of 和 export

vm_service 有个 invoke(isolateId, targetId, selector, argumentIds) api,可以用来执行某个常规函数(getter、setter、构造函数、私有函数属于非常规函数),其中如果 targetId 是 Library 的 id,那么 invoke 执行的就是 Library 的顶级函数。

有了 invoke Library 顶级函数的路径,就可以用它实现对象转id 了,代码如下:

int _key = 0;/// 顶级函数,必须常规方法,生成 key 用String generateNewKey() {

  return "${++_key}";

}

Map<String, dynamic> _objCache = Map();/// 顶级函数,根据 key 返回指定对象dynamic keyToObj(String key) {

  return _objCache[key];

}

/// 对象转 idString obj2Id(VMService service, dynamic obj) async {

  

  // 找到 isolateId。这里的方法就是前面讲的 isolateId 获取方法

  String isolateId = findMainIsolateId();

  // 找到当前 Library。这里可以遍历 isolate 的 libraries 字段

  // 根据 uri 筛选出当前 Library 即可,具体不展开了

  String libraryId = findLibraryId();

  

  // 用 vm service 执行 generateNewKey 函数

  InstanceRef keyRef = await service.invoke(

    isolateId,

    libraryId,

    "generateNewKey",

    // 无参数,所以是空数组

    []

  );

  // 获取 keyRef 的 String 值

  // 这是唯一一个能把 ObjRef 类型转为数值的 api

  String key = keyRef.valueAsString;

  

  _objCache[key] = obj;

  try {

    // 调用 keyToObj 顶级函数,传入 key,获取 obj

    InstanceRef valueRef = await service.invoke(

      isolateId,

      libraryId,

      "keyToObj",

      // 这里注意,vm_service 需要的是 id,不是值

      [keyRef.id]

    )

    // 这里的 id 就是 obj 对应的 id

    return valueRef.id;

  } finally {

    _objCache.remove(key);

  }

  return null;

}

对象泄漏判断
现在我们已经可以获取到 expando 实例在 vm_service 中的 id 了,接下来就简单了

先通过 vm_service 获取到 Instance,遍历里面的 fields 属性,找到 _data 字段(注意 _data 是 ObjRef 类型),用同样的办法把 _data 字段转成 Instance 类型(_data 是个数组,Obj 里面有数组的 child 信息)。

遍历 _data 字段,如果都是 null,表明我们观测的 key 对象已经被释放了。如果 item 不为 null,再次把 item 转为 Instance 对象,取它的 propertyKey (因为 item 是 _WeakProperty 类型,Instance 里面特地为 _WeakProperty 开了这个字段)。

强制 GC
文章开头说到,如果要判断对象是否泄漏,需要在 Full GC 之后判断弱引用是否还在。有没有办法手动触发 gc 呢?

答案是有的,vm_service 虽然没有强制 gc 的 api,但是 dev_tools 的内存图标右上角有个 GC 的按钮,我们仿照着它来操作就行!dev_tools 是调用了 vm_service 的 getAllocationProfile(isolateId, gc: true) api 来实现手动 gc 的。

至于这个 api 触发的是不是 FULL GC,并没有说明,我测试触发的都是 FULL GC,如果要确定在 FULL GC 之后检测泄漏,可以监听 gc 事件流,vm_service 提供了该功能。

至此为止,我们已经可以实现泄漏的监控,而且可以获取到泄漏目标在 vm_serive 中的 id 了,下面就开始获取分析泄漏路径。

5、获取泄漏路径
关于泄漏路径的获取,vm_service 提供了一个 api 叫 getRetainingPath(isolateId, objectId, limit)。直接使用此 api 就可以获取到泄漏对象到 gc root 的引用链信息,是不是感觉很简单?不过光这样可不行,因为它有以下几个坑点:

Expando 持有问题
如果在执行 getRetainingPath 的时候,泄漏对象被 expando 持有的话会产生以下两个问题

· 因为该 api 返回的引用链只有一条,返回的引用链会经过 expando,导致无法获取真正的泄漏节点信息

· 在 arm 设备上会出现 native crash,具体错误出现在 utf8 字符解码上

此问题很好解决,注意下在前面泄漏检测完之后,释放掉 expando 就行。

id 过期问题
Instance 类型的 id 和 Class、Library、Isolate 这种 id 不一样,是会过期的。vm_service 中对于此类临时 id 的缓存容量默认大小是 8192,是一个循环队列。

因为此问题的存在,我们在检测到泄漏的时候,不能只保存泄漏对象的 id,需要保存原对象,而且不能强引用持有对象。所以这里我们还是需要使用 expando 来保存我们检测到的泄漏对象,等到需要分析泄漏路径的时候,再把对象专为 id。

6、1.9.1 framework 上的内存泄漏
完成了泄漏检测和路径获取之后,得到了一个简陋的 leakcanary 工具。当我在 1.9.1 版本的 framework 下测试此工具的时候发现,我观测一个页面它就泄漏一个页面!!!

通过 dev_tools dump 出来的对象来看,的确泄漏了!

也就是 1.9.1 framework 里面存在着泄漏,而且此泄漏会泄漏整个页面。

接下来开始排查泄漏原因,这里就碰到一个问题:泄漏路径太长。。。getRetainingPath 返回的链路长度有 300+,排查了一下午也没有找到问题根源。

结论:直接根据 vm_service 返回的数据是很难分析问题来源的,需要对泄漏路径的信息二次处理下。

如何缩短引用链
首先看下泄漏路径为什么会这么长,通过观测返回的链路后发现,绝大部分的节点都是 flutter UI 组件节点(例如:widget、element、state、renderObject)。

也就是说引用链经过了 flutter 的组件树,玩过 flutter 的应该都知道 flutter 组件树的层次是非常深的。既然引用链长的原因是因为包含了组件树,而且组件树基本都是成块出现的,那我们只要把引用链中的节点根据类型来分类、聚合,就可以大幅缩短泄漏路径了。

分类
根据 flutter 的组件类型,将节点分为以下几种类型:

· element:对应 Element 节点

· widget:对应 Widget 节点

· renderObject:对应 RenderObject节点

· state:对应 State<T extends StatefulWdget> 节点

· collection:对应集合类型节点,例如:List、Map、Set

· other:对应其它节点

聚合
节点的分类做好了之后,就可以把相同类型的节点聚合一下。这里提下我的聚合方式

把 collection 类型的节点看成了连接节点,相邻的相同节点合并到一个集合内,如果两个相同类型的集合中间是通过 collection 节点相连的,就继续把这两个集合合并成一个集合,递归进行

通过 分类-聚合 的处理后,原先 300+ 的链路长度,可以缩短为 100+。

继续排查 1.9.1 framework 的泄漏问题,路径虽然缩短了,可以找到问题大致出现在 FocusManager 节点上!但是具体问题还是难以定位,主要有以下两点:

· 引用链节点缺少代码位置:因为 RetainingObject 数据中只有 parentField、parentIndex 和 parentKey 三个字段来表示当前对象引用下一个对象的信息,通过该信息找代码位置效率低下

· 无法知道当前 flutter 组件节点的信息:比如 Text 的文本信息,element 所在的 widget 是啥,state 的生命周期状态,当前组件属于哪个页面。。等等

介于上述两个痛点,还需要对泄漏节点的信息做扩展处理:

· 代码位置:节点的引用代码位置其实只需要解析 parentField 就行,通过 vm_serive 解析 class,取内部的 field,找到对应的 script 等信息。此方法可以获取到源码

· 组件节点信息:flutter 的 UI 组件都是继承自 Diagnosticable,也就是只要是 Diagnosticable 类型的节点都可获取到非常详细的信息(dev_tools 调试时候,组件树信息就是通过 Diagnosticable.debugFillProperties 方法获取的)。除了这个还需要扩展当前组件所在 route 的信息,这个很重要,判断组件所在页面用

排查 1.9.1 framework 泄漏根源
通过上述的种种优化后,我得到了下面这个工具,在两个 _InkResponseState 节点中发现了问题:

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泄漏路径中有两个 _InkResponseState 节点所属的 route 信息不同,表明这两个节点在两个不同的页面中。顶部 _InkResponseState 的描述信息显示 lifecycle not mounted,说明组件已经销毁了,但是还是被 FocusManager 引用着!问题出现在这,来看下这部分代码

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代码中可以明显的看到 addListener 时候对 StatefulWidget 的生命周期理解错误。didChangeDependencies 是会多次调用的,dispose 只会调用一次,所以这里就会出现 listener 移除不干净的情况。

修复了上述泄漏之后,发现还有一处泄漏。排查后发现泄漏源在 TransitionRoute 中:

  来看看Flutter是如何监控内存泄漏的-鸿蒙开发者社区

当打开一个新页面的时候,该页面的 Route(也就是代码中的 nextRoute)会被前一个页面的 animation 所持有,如果页面跳转都是 TransitionRoute,那么所有的 Route 都会泄漏 !

好消息是以上泄漏都在 1.12 版本之后修复了

修复完上述两个泄漏之后,再次测试,Route 和 Widget 都可以回收了,至此 1.9.1 framework 排查完毕。

 

本文转载自 :掘金

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已于2020-9-4 18:02:30修改
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