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1.5案例：优化dex相关内存
在上一节我们提到，随着代码功能的增加，代码复杂度也在不断地变大，这时候我们往往会发现Dalvik Other和dex mmap这两部分消耗的内存也在不断的增加。在之前的例子里，我们知道这两部分的内存已经接近总内存的一半。在Dalvik Heap已经充分优化的情况下，我们有必要继续对这部分内存进行研究如何优化。
我们已经知道Dalvik Other存放的是类的数据结构及关系，而dex mmap是类函数的代码和常量。通常情况下，想要减少这部分的内存，需要从代码出发，精简无用代码，或者将功能插件化。但如果我们深入理解了系统，也能够找到一些其他的方法来降低这部分的内存消耗。
1.5.1 从class对象说起
在MAT的对象实例列表中，我们往往能很多Class条目，如图1-16所示：
图1-16 MAT中似乎不消耗内存的Class类
这些对象是各种类型的元数据。从MAT的信息看来，它们只是保存了各个类的静态成员，所以对于没有静态成员的类型，shallow heap的值为0，并不消耗内存。但实际上，这只是class消耗内存的冰山一角。我们从下面的例子开始：
这段代码是一个数学处理库提供的函数，代码十分简单，只是新建了两个对象，但将这段代码在一个空应用中执行后，我们能够观察到以下的内存增长：
- Dalvik heap增长约1.8M
- Dalvik other增长约60K
- .dex mmap增长约300K
Dalvik Heap的增长是我们能预期的。通常来说，能够从代码的逻辑中分析出执行这段代码总共需要分配多少内存，也能够在MAT中看到new对象消耗的内存。当应用使用完new的对象后，就会将heap内存释放，但dalvik other和.dex mmap部分是不会释放的。接下来我们首先分析一下这两部分为什么消耗了这么多内存。
1.5.2 一个类的内存消耗
首先，如果我们在代码中要使用一个类，例如以下代码：
Foo f = new Foo();
虚拟机在执行到这步时会做什么呢？
第一步是loadClass操作，将类信息从dex文件加载进内存：
1)读取.dex mmap中class对应的数据。
2)分配native-heap和dalvik-heap内存创建class对象。
3)分配dalvik-LinearAlloc存放class数据。
4)分配dalvik-aux-structure存放class数据。
第二步是new instance操作，创建对象实例。
1)执行.dex mmap中
2)分配dalvik-heap创建class对象实例。
在这个过程中，可能还会分配dalvik-bitmap和jit-code-cache内存。如果class Foo引用了其他类型，那就还需要先按照同样的逻辑创建被引用的class。由此可见，在创建一个类实例的每一步都需要消耗内存。我们接下来大概计算一下new操作需要消耗的内存。
根据Dalvik虚拟机的代码，能够得知class根据类成员和函数的数目分配LinearAlloc和aux-structure的多少，以及class本身及函数需要的字节数。我们再根据一个应用中所有class的总量进行平均计算，得到以下一组数据：
第一步是loadClass操作，加载类信息。
- .dex mmap(class def + class data): 载入一个类需要先读取259字节的mmap。
- dalvik-LinearAlloc: 在LinearAlloc区域分配437字节，存放类静态数据。
- dalvik-aux-structure: 在aux区域分配88字节，存放各种指针。
第二步是new instance操作，创建对象实例。
- .dex mmap(code)：为了执行类构造函数，还需要读取252字节的mmap。
- dalvik-heap: 根据类的具体内容而变化。
可见在new对象实例的操作中，dalvik other和dex mmap部分就各需要约500字节的内存空间。但是考虑到4K页面的问题，由于这些内存并不是连续分布的，所以可能需要分配多个4K页面。当然由于很多类会在一起使用，使得实际的页面值不会那么多。
以我们举例的应用为例，总共有7042个类，启动后载入了1522个类，这时侯应用的dex mmap内存消耗大约是5M，平均后约为3.4K。Dalvik other的部分会少一些，但依然是远远超出需要使用的大小。
1.5.3 Dex mmap
dex mmap在Android应用中的作用是映射classes.dex文件。dalvik虚拟机需要从dex文件中加载类信息，字符串常量等；还需要在调用函数的时候直接从mmap内存中读取函数代码（dvm bytecode）来执行，所以该部分内存是程序运行必不可少的。
以一个示例应用为例，我们能够在MAT中看到，应用加载了大约1500个class类型，而dex文件的class类型共有10635个。使用dex mmap动态统计功能统计后发现，虽然只加载了1500个类，但dex内存通常却高达4-6M，差不多是dex文件大小的一半。如表1-1所示。
表1-1 dex内存的利用率
以上数据中可以看到，很大一部分dex内存空间被浪费了，实际使用到的数据和代码并没有那么多，这是为什么呢？这是由于dex文件在生成时是按字母顺序排列。由于4K页面加载的原因，实际运行时会加载许多相邻但不会被用到的数据。例如在代码中使用了A1类，虚拟机就需要加载包含A1类数据的页面。但由于A1的数据只有1K，那在加载的4K页面中，还会有A2A3A4类，总共占用了4K内存。
假设我们的代码里在用到A1类后，还会用到B1C1D1类，那么如果能在dex文件中将A1B1C1D1类放在一起，虚拟机就只需要加载一个4K页面，不仅减少了内存使用，还对程序的运行速度有好处。因此，优化的思路就是调整Dex文件中数据的顺序，将能够用到的数据紧密排列在一起。
1.5.4 Dex文件优化
为了达到优化的目的，我们需要先了解Dex文件的结构。Dex文件结构如表1-2所示：
表1-2 dex文件结构
简而言之，为了节约空间，dex将原先在各个class文件中重复的信息集中放置在一起，并以索引和指针的形式支持快速访问。虚拟机能够通过索引表在Data区域中找到需要的信息。下面我们看一个访问字符串的例子：
在dex文件结构中，读取字符串需要先到StringIdList中查表，然后根据查到的地址到Data区读取内容。StringIdList的数据结构如下：
struct DexStringId {
u4 stringDataOff;
};
现在我们模拟虚拟机读取一个字符串，来观察内存的消耗。
假设有一个字符串的id = 6728，对应的地址就会是112 + 6728 = 6990。因此虚拟机首先根据string id读取0x006990 - 0x006994的内容，此时系统会加载0x006000-0x006fff的整页内存，从PSS角度来看，会增加4K。
虚拟机读到的内容是stringDataOff = 0x531ed4，随后虚拟机会继续从0x531ed4读取字符串内容，假设字符串长度是45字节，则虚拟机会读取0x531ed4 - 0x531f04的内容，但此时系统也必须加载0x531000 - 0x531fff的整页内存，从PSS角度来看，会再次增加4K。
由此可见，在有些情况下，虚拟机读取data区的一个数据，就至少要消耗8K物理内存。如果多次读取的分散在文件各处的数据，就可能会以4K的倍数快速消耗内存。
Android SDK提供了dexdump工具来观察Dex文件内容，我们以此工具来看看Dex的数据内容：
dexdump classes.dex
Processing 'classes.dex'...
Opened 'classes.dex', DEX version '035'
Class #0 header:
...
Class #0 -
Class descriptor : 'Laaa/aaa;'
...
Class #1 -
Class descriptor : 'Laaa/bbb;'
...
Class #2 -
Class descriptor : 'Lbbb/ccc;'
...
根据对Dex数据的观察，我们发现Dex文件中数据基本是按类名的字母顺序进行排列的，这样同样包名的类会排在一起。但在实际程序执行中，同一个package下的类并不会全部一起调用，而是和很多其他package下的类进行交互，但mmap加载了整个页面，可能会有很多无用数据。为了减少这样的情况，我们在生成文件时要尽量将使用到的数据内容排布在一起。在APK的编译流程中，Proguard混淆工具正好是能够对类名进行修改的，可以根据程序运行的逻辑，将那些会互相调用的类改为同一个package名，这样就可以使它们的数据排布在一起。
以上表数据为例，Class的排列顺序是aaa/aaa，aaa/bbb，bbb/ccc。假设我们的应用运行逻辑是aaa/aaa，bbb/ccc，而aaa/bbb在某些特殊时候才能用到。但在当前的排列情况下，加载了aaa/aaa和bbb/ccc就必然要加载aaa/bbb。我们可以用Proguard等工具来控制类名，将aaa/bbb等不常用的类放在后面，则aaa/bbb平时就不会加载。如下表所示：
dexdump classes.dex
Processing 'classes.dex'...
Opened 'classes.dex', DEX version '035'
Class #0 header:
...
Class #0 -
Class descriptor : 'La0;' # 原aaa/aaa
...
Class #1 -
Class descriptor : 'La1;' # 原bbb/ccc
...
Class #2 -
Class descriptor : 'La2;' # ...
...
Class #100 -
Class descriptor : 'La100;' # 平时用不到的aaa/bbb
...
经验总结
根据上述的流程，我们探索了Dalvik Other和dex mmap部分的内存，大致搞清楚啦它们被消耗的机制，以及一些能够减少消耗的方法。经验如下：
- 在优化内存时，不只有堆内存，还有其他许多类型的内存能够进行分析和优化。
- Dex文件有很多优化空间。在仔细统计并调整了Dex文件的顺序后，往往能够节约1M以上的mmap内存。
- 引入SDK库和调用新的系统API时需要考虑成本。有可能一些不常用的功能会导致大量的消耗。这时候有可能需要多进程方案，将这些影响内存的操作放入临时进程执行。
1.6本章小结
在这一章里，我们通过对几个案例的分析，基本了解了Android应用的各种内存组成，以及这些成分是如何被消耗的，也总结出了一些节约和优化内存的经验。在这一小节里我们把经验都列出来供读者参考。
内存的主要组成索引
- Native Heap：Native代码分配的内存，虚拟机和Android框架本身也会分配
- Dalvik Heap：Java代码分配的对象
- Dalvik Other：类的数据结构和索引
- so mmap：Native代码和常量
- dex mmap：Java代码和常量
内存工具
- Android Studio/Memory Monitor：观察Dalvik内存
- dumpsys meminfo：观察整体内存
- smaps：观察整体内存的详细组成
- Eclipse Memory Analyzer：详细分析Dalvik内存
测试经验
- MAT是探索Java堆并发现问题的好帮手，能够迅速发现常见的图片和大数组等问题。
- 仅靠MAT提供的功能也不是万能的，比如内存碎片问题就隐藏在对象的地址中。
- 要测试非Dalvik部分，有必要了解Linux的进程和内存原理，内存共享机制，熟悉常用命令行工具。
- 内存分配的最小单位是页面，通常为4K，这个限制往往会引发各种碎片问题。
- 碎片不仅仅是Dalvik内存，包括各种文件的mmap也有可能产生碎片。
性能优化
- 尽量不要在循环中创建很多临时变量。
- 可以将大型的循环拆散，分段或者按需执行。
- 引入SDK库和调用新的系统API时需要考虑成本。有可能一些不常用的功能会导致大量的消耗。这时候有可能需要多进程方案，将这些影响内存的操作放入临时进程执行。
- 除了Dalvik堆内存，还有其他类型的内存在了解了原理后也能够进行分析和优化。
- Dex文件有很多优化空间。在仔细统计并调整了Dex文件的顺序后，往往能够节约1M以上的mmap内存。
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