Android修炼系列（33），内存监控技术方案（上）

编程语言 2022-03-30 22:14:57 阅读次数: 0

本系列将围绕下面几个方面来介绍内存监控方案：

  • FD 数量

  • 线程数量

  • 虚拟内存

  • java 堆

  • Native 内存

FD 监控

FD 即 File Descriptor (文件描述符)，对于 Android 来说，一个进程能使用的 FD 资源是有限的，在 Android9 前，最多限制 1024，Android9 及以上，最多 3w 余个。而 FD 达到上限后，没资源了就会产生各种问题，跟 OOM 一样，很难被定位到，因为 crash 后的堆栈信息可能并没指向“始作俑者”。所以 FD 泄漏的监控是很有必要的。

那什么操作会占用 FD 资源呢？常见的：文件读写、Socket 通信、创建 java 线程、启用 HandlerThread、创建 Window 、数据库操作等。

以创建 java 线程为例，创建线程首先会在 Native 层创建 JNIEnv，这步包括：

  1. 通过匿名共享内存分配 4KB 的内核态内存。
  2. 通过 mmap 映射到用户态虚拟内存地址空间。

其中在创建匿名共享内存时，会打开 /dev/ashmem 文件，所以创建线程需要一个 FD。

FD 信息

我们通过读取 /proc 下的虚拟文件来获取进程的 FD, 代码可见matrix，具体方法见下：

  • 读取进程状态 /proc/pid/limits, 并解释 limit.rlim_max 字段。（我实际测了下，rlim_cur 和 rlim_max 值一样）

image.png

  • 读取进程文件 /proc/pid/fd, 计算文件数量。

image.png

  • 遍历进程文件 /proc/pid/fd，并通过 readlink 解释文件链接。（在 RequiresApi 21 及以上可以直接使用系统方法 Os.readlink(file.absolutePath)）

image.png

不清楚怎么调用 c++ 代码的，可以看下我之前博客，Android修炼系列（十九），来编译一个自己的 so 库吧，在我的三星S8测试机上部分数据如下：

image.png

方案

方案：直接开个线程，每 10s 周期检查一次当前进程 FD 数量，当 FD 数量达到阈值时（如90%），就抓取一次当前进程的 FD 信息、线程信息、内存快照信息。

我们可以拿 FD 信息内的路径，用来定位 IO 问题，通过线程名称，来定位 java 线程和 HandlerThread 的问题，通过内存快照来排查 Socket 和 window 等问题。

关于如何 dumpHprofData 内存快照，后面会单独写一节。

线程监控

每个线程都对应着一个栈内存，在 Android 中，一个 java 线程大概占用 1M 栈内存，如果是 native 线程，可以通过 pthread_atta_t 来指定栈大小，如果不加限制的创建线程，就会导致 OOM crash。

系统从下面 3 个方面限制了线程的数量：

  • 配置文件 /proc/sys/kernel/threads-max 指定了系统范围内的最大线程数量。

  • Linux resource limits 的 RLIMIT_NPROC 参数对应了应用的最大线程数量。

  • 虚拟地址空间不足或内核分配 vma 失败等内存原因，也限制了能创建的线程数量。

试了下直接读取 threads-max 文件，没有权限诶。

线程信息

我们可以通过 ThreadGroup 来获取所有 java 线程：

val threadGroup: ThreadGroup = Looper.getMainLooper().thread.threadGroup
val threadList = arrayOfNulls<Thread>(threadGroup.activeCount() * 2)
val size = threadGroup.enumerate(threadList);
复制代码

native 的线程数量，我们可以读取 /proc/[ pid ]/status 中的 Threads 字段的值，其中 /proc/[ pid ]/task 目录下记录着所有线程的 tid、线程名等信息：

File(String.format("/proc/%s/status", Process.myPid())).forEachLine { line ->
    when {
        line.startsWith("Threads") -> {
            Log.d("mjzuo", line)
        }
    }
}
复制代码

方案：关于监控线程数量的监控，与 FD 的思想一样，都是开一个子线程，周期检查应用的当前线程数，当超过阈值时，抓取线程信息并上报。

线程泄漏

不管java 线程，还是 native 线程都是通过 pthread_create 方法创建的。常见的还有 pthread_detach、pthread_join、pthread_exit API，当我们通过 pthread_create 来创建线程时，线程状态默认都是 joinable 状态的，只有 detach 状态的线程，才能在线程执行完退出时自动释放栈内存，否则就需要等待调用 join 来释放内存。

即 create 线程后，不调用 detach 或 join 就直接 exit 退出，栈内存不会释放，会造成线程泄漏。

既然知道技术原理了，那么监控手段就呼之欲出了，hook 上面几个接口，记录 joinable 状态的泄漏线程信息。 以 KOOM源码为例：

java 层的代码就不说了，直接看下 c++ 的逻辑吧，这是桥梁 JNI 接口：

JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_kwai_performance_overhead_thread_monitor_NativeHandler_start(
    JNIEnv *env, jclass obj) {
  koom::Log::info("koom-thread", "start");
  koom::Start();
}

JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_kwai_performance_overhead_thread_monitor_NativeHandler_stop(
    JNIEnv *env, jclass obj) {
  koom::Stop();
}
复制代码

我们来看下 koom.cpp#Start 接口：

void Start() {
  if (isRunning) {
    return;
  }
  // 初始化数据
  delete sHookLooper;
  sHookLooper = new HookLooper(); // 创建 HookLooper 用来转发消息
  koom::ThreadHooker::Start(); // 开始 hook 
  isRunning = true;
}
复制代码

这是 thread_hook.cpp#Start 接口，其中dlopencb.h 的逻辑就不贴了，目录在 koom-common/third-party/xhook/src/main/cpp/xhook/src/ :

void ThreadHooker::Start() { ThreadHooker::InitHook(); }

void ThreadHooker::InitHook() {
  koom::Log::info(thread_tag, "HookSo init hook");
  std::set<std::string> libs;
  DlopenCb::GetInstance().GetLoadedLibs(libs); // 拿到要被hook的动态库
  HookLibs(libs, Constant::kDlopenSourceInit); // hook
  DlopenCb::GetInstance().AddCallback(DlopenCallback); // 监听，其中GetLoadedLibs(libs, true) 才会回调
}
复制代码

这是 thread_hook.cpp#HookLibs 接口

void ThreadHooker::HookLibs(std::set<std::string> &libs, int source) {
  koom::Log::info(thread_tag, "HookSo lib size %d", libs.size());
  if (libs.empty()) {
    return;
  }
  bool hooked = false;
  pthread_mutex_lock(&DlopenCb::hook_mutex);
  xhook_clear(); // 清除 xhook 的缓存，重置所有的全局标示
  for (const auto &lib : libs) {
    hooked |= ThreadHooker::RegisterSo(lib, source); // 开始 hook so 方法
  }
  if (hooked) {
    int result = xhook_refresh(0); // 0:表示执行同步的 hook 操作，1:表示执行异步的 hook 操作
    koom::Log::info(thread_tag, "HookSo lib Refresh result %d", result);
  }
  pthread_mutex_unlock(&DlopenCb::hook_mutex);
}
复制代码

这是我们要hook 的方法：thread_hook.cpp#RegisterSo

bool ThreadHooker::RegisterSo(const std::string &lib, int source) {
  if (IsLibIgnored(lib)) { // 过滤不hook的库，不贴了
    return false;
  }
  auto lib_ctr = lib.c_str();
  koom::Log::info(thread_tag, "HookSo %d %s", source, lib_ctr);
  xhook_register(lib_ctr, "pthread_create",
                 reinterpret_cast<void *>(HookThreadCreate), nullptr);
  xhook_register(lib_ctr, "pthread_detach",
                 reinterpret_cast<void *>(HookThreadDetach), nullptr);
  xhook_register(lib_ctr, "pthread_join",
                 reinterpret_cast<void *>(HookThreadJoin), nullptr);
  xhook_register(lib_ctr, "pthread_exit",
                 reinterpret_cast<void *>(HookThreadExit), nullptr);

  return true;
}
复制代码

当调用 pthread_create 方法时，会被拦截进我们hook的方法：

int ThreadHooker::HookThreadCreate(pthread_t *tidp, const pthread_attr_t *attr,
                                   void *(*start_rtn)(void *), void *arg) {
  if (hookEnabled() && start_rtn != nullptr) {
    ... // hook 返回的信息
    if (thread != nullptr) { 
      koom::CallStack::JavaStackTrace(thread, hook_arg->thread_create_arg->java_stack); // java栈
    }
    koom::CallStack::FastUnwind(thread_create_arg->pc, koom::Constant::kMaxCallStackDepth); // native 栈回溯
    thread_create_arg->stack_time = Util::CurrentTimeNs() - time; 
    return pthread_create(tidp, attr,
                          reinterpret_cast<void *(*)(void *)>(HookThreadStart),
                          reinterpret_cast<void *>(hook_arg));
  }
  return pthread_create(tidp, attr, start_rtn, arg);
}
复制代码

随后调用 thread_hook.cpp#HookThreadStart

ALWAYS_INLINE void ThreadHooker::HookThreadStart(void *arg) {
  ... // 拿hook信息，组HookAddInfo，具体不贴了
  auto info = new HookAddInfo(tid, Util::CurrentTimeNs(), self,
                              state == PTHREAD_CREATE_DETACHED,
                              hookArg->thread_create_arg);

  sHookLooper->post(ACTION_ADD_THREAD, info); // 转发 HookLooper.cpp#handle
  void *(*start_rtn)(void *) = hookArg->start_rtn;
  void *routine_arg = hookArg->arg;
  delete hookArg;
  start_rtn(routine_arg);
}
复制代码

消息被转发到 HookLooper.cpp#handle：

case ACTION_ADD_THREAD: {
  koom::Log::info(looper_tag, "AddThread");
  auto info = static_cast<HookAddInfo *>(data);
  holder->AddThread(info->tid, info->pthread, info->is_thread_detached,
                    info->time, info->create_arg); // 再转发
  delete info;
  break;
}
复制代码

消息被转发到 thread_holder.cpp#AddThread，在这里就记录了线程，并标记状态：

void ThreadHolder::AddThread(int tid, pthread_t threadId, bool isThreadDetached,
                             int64_t start_time, ThreadCreateArg *create_arg) {
  bool valid = threadMap.count(threadId) > 0;
  if (valid) return;

  koom::Log::info(holder_tag, "AddThread tid:%d pthread_t:%p", tid, threadId);
  auto &item = threadMap[threadId]; // 线程列表
  item.Clear();
  item.thread_internal_id = threadId;
  item.thread_detached = isThreadDetached; // 这个就是上面提到的线程状态，false
  item.startTime = start_time;
  item.create_time = create_arg->time;
  item.id = tid;
  ... // 栈内容就不贴了
  delete create_arg;
  koom::Log::info(holder_tag, "AddThread finish");
}
复制代码

其他方法就不细说了，我们来看下当消息被转发过来时，detach 和 join 的逻辑是一样的，所以就贴一个了：

void ThreadHolder::DetachThread(pthread_t threadId) {
  bool valid = threadMap.count(threadId) > 0;
  koom::Log::info(holder_tag, "DetachThread tid:%p", threadId);
  if (valid) {
    threadMap[threadId].thread_detached = true; // 将状态改变
  } else {
    leakThreadMap.erase(threadId); // 从泄漏线程列表中移除
  }
}
复制代码

这是 exit 的逻辑，在这里将非 detached 状态的线程都加入到泄漏集合里，注意如果 exit 后面再调用 join 还是可以移除掉的：

void ThreadHolder::ExitThread(pthread_t threadId, std::string &threadName,
                              long long int time) {
  bool valid = threadMap.count(threadId) > 0;
  if (!valid) return;
  auto &item = threadMap[threadId];
  ...
  if (!item.thread_detached) {
    // 泄露了
    koom::Log::error(holder_tag,
                     "Exited thread Leak! Not joined or detached!\n tid:%p",
                     threadId);
    leakThreadMap[threadId] = item;
  }
  threadMap.erase(threadId); // 从线程集合移除
  koom::Log::info(holder_tag, "ExitThread finish");
}
复制代码

受篇幅影响（os内心：累了，不想再爱了），虚拟内存、java堆、native 内存监控的内容会放在下节。

本节完。

参考:

cloud.tencent.com/developer/a…

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转载自juejin.im/post/7080461351474167844
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