性能优化|记一次线上OOM问题处理

概述

最近线上监控发现 OOM 涨幅较大，因此去尝试定位和修复这个问题，在修复了一些内存泄漏和大对象占用问题后, OOM 依旧未达到正常标准，在这些新上报的 hprof 文件中，发现几乎所有 case 中都有个叫 FinalizerReference 的对象，数量巨多，内存占用高居首位，因此判断它就是引起本次 OOM 上涨的罪魁祸首。

ReferenceQueue

首先前置了解下 ReferenceQueue 引用队列是个啥，简言之就是用来存放 Reference 对象的队列，当 Reference 对象所引用的对象被 GC 回收时，该 Reference 对象就会被加入到引用队列 ReferenceQueue 中。即：

valqueue= ReferenceQueue<Bean>()
valbean= Bean()
valreference= SoftReference(bean, queue)
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上述代码中创建了一个 bean 强引用，以及一个 reference 软引用，当 bean 被回收时，该软引用 reference 对象会被放到 queue 队列中，后续该 reference 对象需要开发者自行处理(如从队列中 poll 等)。

Leakcanary 检测内存泄漏的原理就是应用的 ReferenceQueue 引用队列，以 Activity 为例：

1. 监听 Activity 的生命周期。

2. 在 onDestory 的时候，通过 ReferenceQueue 来创建对应 Actitity 的 Refrence 引用对象。

3. 一段时间后，从 ReferenceQueue 中读取，如果有这个 Actitity 的 Refrence，那么说明这个 Activity 的 Refrence 已经被回收；如果 ReferenceQueue 没有这个 Actitity 的 Refrence, 那就说明出现了内存泄漏。

关于 Reference 引用，网上一搜很多文章，大家估计比较清楚了，就不再赘述。以前做过一些相关的笔记，有兴趣可以看看 JVM垃圾回收-引用。

FinalizerReference

首先介绍一下 Finalizer 对象，它指的是在其 Java 类中复写了 finalize() 方法，且该方法非空的对象，有的地方称呼这种类叫 f 类，我们也这样叫它。在类加载过程中会把加载的 Java 类标记为是否 f 类。

FinalizerReference概述

现在开始看看 FinalizerReference 是个啥玩意，知己知彼，才能知道怎么去修它。这个 FinalizerReference 是用来协助 FinalizerDaemon 线程处理对象的 finalize() 工作的，一次性出现了三个名词，我们先从 FinalizerReference 看起。

看看它的部分代码：

// java/lang/ref/FinalizerReference.javapublicfinalclassFinalizerReference<T> extendsReference<T> {// This queue contains those objects eligible for finalization.publicstaticfinal ReferenceQueue<Object> queue = newReferenceQueue<Object>();// This list contains a FinalizerReference for every finalizable object in the heap.// Objects in this list may or may not be eligible for finalization yet.privatestatic FinalizerReference<?> head = null;// The links used to construct the list.private FinalizerReference<?> prev;private FinalizerReference<?> next;publicstaticvoidadd(Object referent) {FinalizerReference<?> reference = newFinalizerReference<Object>(referent, queue);synchronized (LIST_LOCK) {reference.prev = null;reference.next = head;if (head != null) {head.prev = reference;}head = reference;}}publicstaticvoidremove(FinalizerReference<?> reference) {synchronized (LIST_LOCK) {FinalizerReference<?> next = reference.next;FinalizerReference<?> prev = reference.prev;reference.next = null;reference.prev = null;if (prev != null) {prev.next = next;} else {head = next;}if (next != null) {next.prev = prev;}}}
}
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FinalizerReference 中有两个静态方法: add 和 remove 方法。它创建了一个 FinalizerReference 类型的链表(表头用静态变量 FinalizerReference.head 表示)，其中每个 FinalizerReference 对象都使用 ReferenceQueue 类型的静态变量 queue 来创建，这样当对应的对象 Object referent 被回收后，该 FinalizerReference 会被放入 ReferenceQueue 中。

FinalizerReference.add

上述 FinalizerReference.add 方法是虚拟机调用的，当创建对象的时候，如果发现该类是 f 类，就会调用 FinalizerReference.add 方法创建 FinalizerRefence 对象，并将其加入到 head 链表中。

// art/runtime/mirror/class-alloc-inl.htemplate<bool kIsInstrumented, Class::AddFinalizer kAddFinalizer, bool kCheckAddFinalizer>
inline ObjPtr<Object> Class::Alloc(Thread* self, gc::AllocatorType allocator_type){CheckObjectAlloc();gc::Heap* heap = Runtime::Current()->GetHeap();bool add_finalizer;switch (kAddFinalizer) {case Class::AddFinalizer::kUseClassTag:// 这里判断是不是 f 类add_finalizer = IsFinalizable();break;case Class::AddFinalizer::kNoAddFinalizer:add_finalizer = false;DCHECK_IMPLIES(kCheckAddFinalizer, !IsFinalizable());break;}// Note that the `this` pointer may be invalidated after the allocation.ObjPtr<Object> obj = heap->AllocObjectWithAllocator<kIsInstrumented, /*kCheckLargeObject=*/false>(self, this, this->object_size_, allocator_type, VoidFunctor());if (add_finalizer && LIKELY(obj != nullptr)) {// 如果是 f 类，则调用 AddFinalizerReference 方法heap->AddFinalizerReference(self, &obj);// ...}return obj;
}// art/runtime/gc/heap.ccvoidHeap::AddFinalizerReference(Thread* self, ObjPtr<mirror::Object>* object){ScopedObjectAccess soa(self);ScopedLocalRef<jobject> arg(self->GetJniEnv(), soa.AddLocalReference<jobject>(*object));jvalue args[1];args[0].l = arg.get();InvokeWithJValues(soa, nullptr, WellKnownClasses::java_lang_ref_FinalizerReference_add, args);// Restore object in case it gets moved.*object = soa.Decode<mirror::Object>(arg.get());
}
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上面的 AddFinalizerReference 方法会调用到 Java 层的 FinalizerReference.add() 静态方法，就完成了 add 的操作。

FinalizerReference.remove

我们前面提到，当 Reference 对象所引用的对象被 GC 回收时，该 Reference 对象就会被加入到引用队列 ReferenceQueue 中，所以当 f 类的对象发生 gc 时，会将其对应的 FinalizerReference 对象加入到 FinalizerReference.queue 队列里。而 remove 的时机与 FinalizerDaemon 守护线程有关，我们看看这个线程的源码：

// libcore/libart/src/main/java/java/lang/Daemons.java// private static abstract class Daemon implements RunnableprivatestaticclassFinalizerDaemonextendsDaemon {privatestaticfinalFinalizerDaemonINSTANCE=newFinalizerDaemon();privatefinal ReferenceQueue<Object> queue = FinalizerReference.queue;@OverridepublicvoidrunInternal() {// ...while (isRunning()) {try {// Use non-blocking poll to avoid FinalizerWatchdogDaemon communication when busy.FinalizerReference<?> finalizingReference = (FinalizerReference<?>)queue.poll();// ...doFinalize(finalizingReference);} catch (InterruptedException ignored) {} catch (OutOfMemoryError ignored) {}}}
}
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在 FinalizerDaemon.runInternal 方法中会通过 FinalizerReference.queue(ReferenceQueue引用队列) 的 poll/remove 方法拿到 queue 中的 Reference 引用，接着执行 doFinalize() 方法，该方法会调用 Finalizer 对象的 finalize() 方法：

privatevoiddoFinalize(FinalizerReference<?> reference) {FinalizerReference.remove(reference);Objectobject= reference.get();reference.clear();try {object.finalize();} catch (Throwable ex) {// The RI silently swallows these, but Android has always logged.System.logE("Uncaught exception thrown by finalizer", ex);} finally {// Done finalizing, stop holding the object as live.finalizingObject = null;}
}
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首先将获取到的 FinalizerReference 对象从 FinalizerReference.head 链表中移除，接着通过 reference.get() 方法得到 Java 对象，并执行其 finalize() 方法。

小结

FinalizerReference 的主要作用是协助 FinalizerDaemon 守护线程来执行 Finalizer 对象的 finalize() 方法。

• 在 f 类创建对象时，调用 FinalizerReference.add() 方法创建一个 FinalizerReference 对象(使用 ReferenceQueue 队列)并加入到 head 链表里。

• 在 f 类的对象被回收后，其对应的 FinalizerReference 对象会被加入到 ReferenceQueue 队列(FinalizerReference.queue)里。

• FinalizerDaemon 守护线程从 FinalizerReference.queue 队列中取出 FinalizerReference 对象，并执行其对应 f 类对象的 finalize() 方法。

ReferenceQueueDaemon

上面看完了 FinalizerDaemon 守护线程，这里再看看 ReferenceQueueDaemon 守护线程，上面说到在创建引用对象 Reference 的时候可以关联一个 ReferenceQueue 队列，当被引用对象被 gc 回收时，该 reference 对象就会被加入到其创建时关联的队列去，这个加入队列的操作就是由 ReferenceQueueDaemon 守护线程完成的。

privatestaticclassReferenceQueueDaemonextendsDaemon {@OverridepublicvoidrunInternal() {while (isRunning()) {Reference<?> list;try {synchronized (ReferenceQueue.class) {if (ReferenceQueue.unenqueued == null) {progressCounter.incrementAndGet();do {ReferenceQueue.class.wait();} while (ReferenceQueue.unenqueued == null);progressCounter.incrementAndGet();}list = ReferenceQueue.unenqueued;ReferenceQueue.unenqueued = null;}} catch (InterruptedException e) {continue;} catch (OutOfMemoryError e) {continue;}ReferenceQueue.enqueuePending(list, progressCounter);}}
}
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具体源码感兴趣的话可以自己去看看，这里就不贴太多源码了。

FinalizerWatchdogDaemon

这里再补充一下 FinalizerWatchdogDaemon 守护线程，它跟 FinalizerDaemon 以及 ReferenceQueueDaemon 线程是一起 start 的。我们再看一下上面 FinalizerDaemon 和 ReferenceQueueDaemon 线程的 runInternal() 方法：

// ReferenceQueueDaemon@OverridepublicvoidrunInternal() {FinalizerWatchdogDaemon.INSTANCE.monitoringNeeded(FinalizerWatchdogDaemon.RQ_DAEMON);while (isRunning()) {Reference<?> list;try {synchronized (ReferenceQueue.class) {if (ReferenceQueue.unenqueued == null) {progressCounter.incrementAndGet();FinalizerWatchdogDaemon.INSTANCE.monitoringNotNeeded(FinalizerWatchdogDaemon.RQ_DAEMON);do {ReferenceQueue.class.wait();} while (ReferenceQueue.unenqueued == null);progressCounter.incrementAndGet();FinalizerWatchdogDaemon.INSTANCE.monitoringNeeded(FinalizerWatchdogDaemon.RQ_DAEMON);}list = ReferenceQueue.unenqueued;ReferenceQueue.unenqueued = null;}} catch (InterruptedException e) {continue;} catch (OutOfMemoryError e) {continue;}ReferenceQueue.enqueuePending(list, progressCounter);FinalizerWatchdogDaemon.INSTANCE.resetTimeouts();}
}// FinalizerDaemon@OverridepublicvoidrunInternal() {FinalizerWatchdogDaemon.INSTANCE.monitoringNeeded(FinalizerWatchdogDaemon.FINALIZER_DAEMON);while (isRunning()) {try {FinalizerReference<?> finalizingReference = (FinalizerReference<?>)queue.poll();if (finalizingReference != null) {finalizingObject = finalizingReference.get();} else {finalizingObject = null;FinalizerWatchdogDaemon.INSTANCE.monitoringNotNeeded(FinalizerWatchdogDaemon.FINALIZER_DAEMON);finalizingReference = (FinalizerReference<?>)queue.remove();finalizingObject = finalizingReference.get();FinalizerWatchdogDaemon.INSTANCE.monitoringNeeded(FinalizerWatchdogDaemon.FINALIZER_DAEMON);}doFinalize(finalizingReference);} catch (InterruptedException ignored) {} catch (OutOfMemoryError ignored) {}}
}
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上面的 monitoringNotNeeded 方法会休眠线程，停止 timeout 计时，而 monitoringNotNeeded 会唤醒 FinalizerWatchdogDaemon 守护线程。看看 FinalizerWatchdogDaemon 的源码，我加了一些注释：

privatestaticclassFinalizerWatchdogDaemonextendsDaemon {// Single bit values to identify daemon to be watched.// 监控的两种类型staticfinalintFINALIZER_DAEMON=1;staticfinalintRQ_DAEMON=2;@OverridepublicvoidrunInternal() {while (isRunning()) {// sleepUntilNeeded 内部会调用 wait() 方法，不贴了if (!sleepUntilNeeded()) {continue;}finalTimeoutExceptionexception= waitForProgress();if (exception != null && !VMDebug.isDebuggerConnected()) {// 抛出异常 Thread.currentThread().dispatchUncaughtException(exception)timedOut(exception);break;}}}// 去掉 whichDaemon 的监控，进入 waitprivatesynchronizedvoidmonitoringNotNeeded(int whichDaemon) {activeWatchees &= ~whichDaemon;}// 添加 whichDaemon 的监控, notify 线程privatesynchronizedvoidmonitoringNeeded(int whichDaemon) {intoldWatchees= activeWatchees;activeWatchees |= whichDaemon;if (oldWatchees == 0) {// 调用 notify 唤醒notify();}}// 判断是否添加了指定 whichDaemon 类型的监控privatesynchronizedbooleanisActive(int whichDaemon) {return (activeWatchees & whichDaemon) != 0;}// 调用 isActive 判断开启监控的类型，通过 Thread.sleep() 方法休眠指定时间// 休眠结束后返回 TimeoutException 异常，若途中监控的逻辑执行完成则表示未超时，返回 null// 等待时间: VMRuntime.getFinalizerTimeoutMs// If the FinalizerDaemon took essentially the whole time processing a single reference,// or the ReferenceQueueDaemon failed to make visible progress during that time, return an exception.private TimeoutException waitForProgress() {finalizerTimeoutNs = NANOS_PER_MILLI * VMRuntime.getRuntime().getFinalizerTimeoutMs();// ...}
}
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上面一些细节代码就不贴出了, FinalizerWatchdogDaemon 主要用来监控两种类型的执行时长: FINALIZER_DAEMON 和 RQ_DAEMON。当执行超时时就会抛出 TimeOutException 异常，因此不要在 finalize() 方法中做耗时操作。

这个超时时间在 AOSP 中定义为 10s, 国内厂商可能会修改这个值, 据说有的改为了 60 s, 有兴趣的同学可以自己解包看看:

RUNTIME_OPTIONS_KEY (unsigned int,        FinalizerTimeoutMs,             10000u)
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OOM排查

通过线上 hprof 文件排除了大对象和内存泄漏的可能，接着在 hprof 中发现存在大量的 X(用 X 表示业务上的某个对象) 对象堆积，这些对象对应的 Java 类是一个与 Native 层有关的类，其重写了 finalize() 方法，线下无法复现堆积大量 X 对象的路径。

可能有某个业务场景的代码逻辑使用不当造成了 X 对象的疯狂创建，导致 FinalizerDaemon 线程来不及回收

由于这个 X 对象的创建场景比较多，因此无法通过代码 review 来定位到有问题的创建代码，采取了一些监控手段后依旧无果。

用治标不治本的方式，显式调用系统 gc 和 runFinalization 方法

在定位不到具体的问题场景后，因为猜测是创建了大量的 X 对象导致 FinalizerDaemon 线程回收不及时，因此分别在主线程和子线程中显式调用系统 gc 和 runFinalization 方法来手动回收 X 对象。

结果：子线程调用无效果, OOM 未下降；主线程调用发生了 ANR。

查看 ANR 堆栈后，发现 ANR 的位置都在另外一个 f 对象的 finalize() 方法中调用到的一行 Native 代码，因此问题就明了了，是因为在某个 finalize() 方法中调用到的这行代码卡死了(逻辑问题导致死锁)，因此阻塞了 FinalizerDaemon 线程的执行，进而导致对象堆积。另外本应发生的 TimeoutException 异常被我们的异常处理框架捕获了，因此未曾暴露出来。

总结

Java 中并没有析构函数, finalize() 实现了类似析构函数的概念，可以在对象被回收前做一些回收性的操作，在 JNI 开发中可能被用来进行 Native 内存的释放。关于 f 类使用不当会造成的影响：

• FinalizerDaemon 守护线程的优先级不高，在 CPU 紧张的情况下调度可能会被影响，所以可能无法及时回收 f 类对象。

• finalize 对象由于 finalize() 的引用，它变成了一个强引用，即使没有其他显式的强引用了，它也还是无法立即被回收。

• 因此 f 对象至少需要 2 次 gc 才可能被回收，第一次 gc 时会将 f 对象加入到 ReferenceQueue 中，而等到 finalize() 方法执行完毕后的下一次 gc 里才有可能回收它。由于守护线程的优先级低，这期间可能已经发生过多次 gc 了，长时间未回收的话又可能会导致 f 类在资源紧张时进入到老年代，从而引起老年代的 gc 甚至是 full gc。

因此尽量不要重载 finalize() 方法，而是通过一些逻辑上的接口去释放内存，如果一定要重载它的话，也不要让一些需要频繁创建的对象或者大对象去通过 finalize() 释放，不然总有一天会出现问题的。

与此相关的守护线程有四个，感兴趣的同学可以深入看看相关源码：

// libcore/libart/src/main/java/java/lang/Daemons.javaprivatestaticfinal Daemon[] DAEMONS = newDaemon[] {HeapTaskDaemon.INSTANCE,ReferenceQueueDaemon.INSTANCE,FinalizerDaemon.INSTANCE,FinalizerWatchdogDaemon.INSTANCE,
};

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Android性能分析与优化实战进阶手册目录及内容展示

第一章:Android性能优化概述

第二章:卡顿优化

第三章:启动速度优化

第四章:内存优化

第五章:布局优化

第六章:线程优化

第七章:电量优化

第八章:稳定性优化