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ios微信内存监控

2018-03-06 10:41 by 副主编 jihong10102006 评论(0) 有8576人浏览

foom（foreground out of memory），是指app在前台因消耗内存过多引起系统强杀。对用户而言，表现跟crash一样。facebook早在2015年8月提出foom检测办法，大致原理是排除各种情况后，剩余的情况是foom，具体链接：。

微信自15年年底上线foom上报，从最初数据来看，每天foom次数与登录用户数比例接近3%，同期crash率1%不到。而16年年初某东老大反馈微信频繁闪退，在艰难拉取2g多日志后，才发现kv上报频繁打log引起foom。接着16年8月不少外部用户反馈微信启动不久后闪退，分析大量日志还是不能找到foom原因。微信急需一个有效的内存监控工具来发现问题。

一、实现原理

微信内存监控最初版本是使用facebook的fballocationtracker工具监控oc对象分配，用fishhook工具hook malloc/free等接口监控堆内存分配，每隔1秒，把当前所有oc对象个数、top 200最大堆内存及其分配堆栈，用文本log输出到本地。该方案实现简单，一天内完成，通过给用户下发testflight，最终发现联系人模块因迁移db加载大量联系人导致foom。

不过这方案有不少缺点：

1、监控粒度不够细，像大量分配小内存引起的质变无法监控，另外fishhook只能hook自身app的c接口调用，对系统库不起作用；

2、打log间隔不好控制，间隔过长可能丢失中间峰值情况，间隔过短会引起耗电、io频繁等性能问题；

3、上报的原始log靠人工分析，缺少好的页面工具展现和归类问题。

所以二期版本以instruments的allocations为参考，着重四个方面优化，分别是数据收集、存储、上报及展现。

1.数据收集

16年9月底为了解决ios10 nano crash，研究了libmalloc源码，无意中发现这几个接口：

当malloc_logger和__syscall_logger函数指针不为空时，malloc/free、vm_allocate/vm_deallocate等内存分配/释放通过这两个指针通知上层，这也是内存调试工具malloc stack的实现原理。有了这两个函数指针，我们很容易记录当前存活对象的内存分配信息（包括分配大小和分配堆栈）。分配堆栈可以用backtrace函数捕获，但捕获到的地址是虚拟内存地址，不能从符号表dsym解析符号。所以还要记录每个image加载时的偏移slide，这样符号表地址=堆栈地址-slide。

另外为了更好的归类数据，每个内存对象应该有它所属的分类category，如上图所示。对于堆内存对象，它的category名是“malloc ” 分配大小，如“malloc 48.00kib”；对于虚拟内存对象，调用vm_allocate创建时，最后的参数flags代表它是哪类虚拟内存，而这个flags正对应于上述函数指针__syscall_logger的第一个参数type，每个flag具体含义可以在头文件找到；对于oc对象，它的category名是oc类名，我们可以通过hook oc方法 [nsobject alloc]来获取：

但后来发现，nsdata创建对象的类静态方法没有调用 [nsobject alloc]，里面实现是调用c方法nsallocateobject来创建对象，也就是说这类方式创建的oc对象无法通过hook来获取oc类名。最后在苹果开源代码cf-1153.18找到了答案，当__cfoasafe=true并且__cfobjectallocsetlastalloceventnamefunction!=null时，corefoundation创建对象后通过这个函数指针告诉上层当前对象是什么类型：

通过上面方式，我们的监控数据来源基本跟allocations一样了，当然是借助了私有api。如果没有足够的“技巧”，私有api带不上appstore，我们只能退而求其次。修改malloc_default_zone函数返回的malloc_zone_t结构体里的malloc、free等函数指针，也是可以监控堆内存分配，效果等同于malloc_logger；而虚拟内存分配只能通过fishhook方式。

2.数据存储

存活对象管理

app在运行期间会大量申请/释放内存。以上图为例，微信启动10秒内，已经创建了80万对象，释放了50万，性能问题是个挑战。另外在存储过程中，也尽量减少内存申请/释放。所以放弃了sqlite，改用了更轻量级的平衡二叉树来存储。

伸展树（splay tree），也叫分裂树，是一种二叉排序树，不保证树是平衡，但各种操作平均时间复杂度是o(logn)，可近似看作平衡二叉树。相比其他平衡二叉树（如红黑树），其内存占用较小，不需要存储额外信息。伸展树主要出发点是考虑到局部性原理（某个刚被访问的结点下次又被访问，或者访问次数多的结点下次可能被访问），为了使整个查找时间更少，被频繁查询的结点通过“伸展”操作搬移到离树根更近的地方。大部分情况下，内存申请很快又被释放，如autoreleased对象、临时变量等；而oc对象申请内存后紧接着会更新它所属category。所以用伸展树管理最适合不过了。

传统二叉树是用链表方式实现，每次添加/删除结点，都会申请/释放内存。为了减少内存操作，可以用数组实现二叉树。具体做法是父结点的左右孩子由以往的指针类型改成整数类型，代表孩子在数组的下标；删除结点时，被删除的结点存放上一个被释放的结点所在数组下标。

堆栈存储

据统计，微信运行期间，backtrace的堆栈有成百万上千万种，在捕获最大栈长64情况下，平均栈长35。如果36bits存储一个地址（armv8最大虚拟内存地址48bits，实际上36bits够用了），一个堆栈平均存储长度157.5bytes，1m个堆栈需要157.5m存储空间。但通过断点观察，实际上大部分堆栈是有共同后缀，例如下面的两个堆栈后7个地址是一样的：

为此，可以用hash table来存储这些堆栈。思路是整个堆栈以链表的方式插入到table里，链表结点存放当前地址和上一个地址所在table的索引。每插入一个地址，先计算它的hash值，作为在table的索引，如果索引对应的slot没有存储数据，就记录这个链表结点；如果有存储数据，并且数据跟链表结点一致，hash命中，继续处理下一个地址；数据不一致，意味着hash冲突，需要重新计算hash值，直到满足存储条件。举个例子（简化了hash计算）：

1）stack1的g、f、e、d、c、a、依次插入到hash table，索引1～6结点数据依次是(g, 0)、(f, 1)、(e, 2)、(d, 3)、(c, 4)、(a, 5)。stack1索引入口是6

2）轮到插入stack2，由于g、f、e、d、c结点数据跟stack1前5结点一致，hash命中；b插入新的7号位置，(b, 5)。stack2索引入口是7

3）最后插入stack3，g、f、e、d结点hash命中；但由于stack3的a的上一个地址d索引是4，而不是已有的(a, 5)，hash不命中，查找下一个空白位置8，插入结点(a, 4)；b上一个地址a索引是8，而不是已有的(b, 5)，hash不命中，查找下一个空白位置9，插入结点(b, 9)。stack3索引入口是9

经过这样的后缀压缩存储，平均栈长由原来的35缩短到5不到。而每个结点存储长度为64bits（36bits存储地址，28bits储存parent索引），hashtable空间利用率60% ，一个堆栈平均存储长度只需要66.7bytes，压缩率高达42%。

性能数据

经过上述优化，内存监控工具在iphone6plus运行占用cpu占用率13%不到，当然这是跟数据量有关，重度用户（如群过多、消息频繁等）可能占用率稍微偏高。而存储数据内存占用量20m左右，都用mmap方式把文件映射到内存。有关mmap好处可自行google之。

3.数据上报

由于内存监控是存储了当前所有存活对象的内存分配信息，数据量极大，所以当出现foom时，不可能全量上报，而是按某些规则有选择性的上报。

首先把所有对象按category进行归类，统计每个category的对象数和分配内存大小。这列表数据很少，可以做全量上报。接着对category下所有相同堆栈做合并，计算每种堆栈的对象数和内存大小。对于某些category，如分配大小top n，或者ui相关的（如uiviewcontroller、uiview之类的），它里面分配大小top m的堆栈才做上报。上报格式类似这样：

4.页面展现

页面展现参考了allocations，可看出有哪些category，每个category分配大小和对象数，某些category还能看分配堆栈。

为了突出问题，提高解决问题效率，后台先根据规则找出可能引起foom的category（如上面的suspect categories），规则有：

uiviewcontroller数量是否异常
uiview数量是否异常
uiimage数量是否异常
其它category分配大小是否异常，对象个数是否异常

接着对可疑的category计算特征值，也就是oom原因。特征值是由“caller1”、“caller2”和“category, reason”组成。caller1是指申请内存点，caller2是指具体场景或业务，它们都是从category下分配大小第一的堆栈提取。caller1提取尽量是有意义的，并不是分配函数的上一地址。例如：

所有report计算出特征值后，可以对它们进行归类了。一级分类可以是caller1，也可以是category，二级分类是与caller1/category有关的特征聚合。效果如下：
一级分类

二级分类

5.运营策略

上面提到，内存监控会带来一定的性能损耗，同时上报的数据量每次大概300k左右，全量上报对后台有一定压力，所以对现网用户做抽样开启，灰度包用户/公司内部用户/白名单用户做100%开启。本地最多只保留最近三次数据。

二、降低误判

先回顾facebook如何判定上一次启动是否出现foom：

1.app没有升级
2.app没有调用exit()或abort()退出
3.app没有出现crash
4.用户没有强退app
5.系统没有升级/重启
6.app当时没有后台运行
7.app出现foom

1、2、4、5比较容易判断，3依赖于自身crashreport组件的crash回调，6、7依赖于applicationstate和前后台切换通知。微信自上线foom数据上报以来，出现不少误判，主要情况有：

applicationstate不准

部分系统会在后台短暂唤起app，applicationstate是active，但又不是backgroundfetch；执行完didfinishlaunchingwithoptions就退出了，也有收到becomeactive通知，但很快也退出；整个启动过程持续5～8秒不等。解决方法是收到becomeactive通知一秒后，才认为这次启动是正常的前台启动。这方法只能减少误判概率，并不能彻底解决。

群控类外挂

这类外挂是可以远程控制iphone的软件，通常一台电脑可以控制多台手机，电脑画面和手机屏幕实时同步操作，如开启微信，自动加好友，发朋友圈，强制退出微信，这一过程容易产生误判。解决方法只能通过安全后台打击才能减少这类误判。

crashreport组件出现crash没有回调上层

微信曾经在17年5月底爆发大量gif crash，该crash由内存越界引起，但收到crash信号写crashlog时，由于内存池损坏，组件无法正常写crashlog，甚至引起二次crash；上层也无法收到crash通知，因此误判为foom。目前改成不依赖crash回调，只要本地存在上一次crashlog（不管是否完整），就认为是crash引起的app重启。

前台卡死引起系统watchdog强杀

也就是常见的0x8badf00d，通常原因是前台线程过多，死锁，或cpu使用率持续过高等，这类强杀无法被app捕获。为此我们结合了已有卡顿系统，当前台运行最后一刻有捕获到卡顿，我们认为这次启动是被watchdog强杀。同时我们从foom划分出新的重启原因叫“app前台卡死导致重启”，列入重点关注。

三、成果

微信自2017年三月上线内存监控以来，解决了30多处大大小小内存问题，涉及到聊天、搜索、朋友圈等多个业务，foom率由17年年初3%，降到目前0.67%，而前台卡死率由0.6%下降到0.3%，效果特别明显。

四、常见问题

uigraphicsendimagecontext

uigraphicsbeginimagecontext和uigraphicsendimagecontext必须成双出现，不然会造成context泄漏。另外xcode的analyze也能扫出这类问题。

uiwebview

无论是打开网页，还是执行一段简单的js代码，uiwebview都会占用app大量内存。而wkwebview不仅有出色的渲染性能，而且它有自己独立进程，一些网页相关的内存消耗移到自身进程里，最适合取替uiwebview。

autoreleasepool

通常autoreleased对象是在runloop结束时才释放。如果在循环里产生大量autoreleased对象，内存峰值会猛涨，甚至出现oom。适当的添加autoreleasepool能及时释放内存，降低峰值。

互相引用

比较容易出现互相引用的地方是block里使用了self，而self又持有这个block，只能通过代码规范来避免。另外nstimer的target、caanimation的delegate，是对obj强引用。目前微信通过自己实现的mmnoretaintimer和mmdelegatecenter来规避这类问题。

大图片处理

举个例子，以往图片缩放接口是这样写的：

但处理大分辨率图片时，往往容易出现oom，原因是-[uiimage drawinrect:]在绘制时，先解码图片，再生成原始分辨率大小的bitmap，这是很耗内存的。解决方法是使用更低层的imageio接口，避免中间bitmap产生：

大视图

大视图是指view的size过大，自身包含要渲染的内容。超长文本是微信里常见的炸群消息，通常几千甚至几万行。如果把它绘制到同一个view里，那将会消耗大量内存，同时造成严重卡顿。最好做法是把文本划分成多个view绘制，利用tableview的复用机制，减少不必要的渲染和内存占用。

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