Android平臺(tái)上主要采用libunwind來(lái)進(jìn)行?；厮?，可以滿足絕大多數(shù)情況。但是libunwind實(shí)現(xiàn)中的全局鎖及unwind table解析，會(huì)有性能損耗，在多線程頻繁調(diào)用情況下會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用變卡，無(wú)法使用。

加速原理

編譯器的-finstrument-functions編譯選項(xiàng)支持編譯期在函數(shù)開(kāi)始和結(jié)尾插入自定義函數(shù)，在每個(gè)函數(shù)開(kāi)始插入對(duì)__cyg_profile_func_enter的調(diào)用，在結(jié)尾插入對(duì)__cyg_profile_func_exit的調(diào)用。這兩個(gè)函數(shù)中可以獲取到調(diào)用點(diǎn)地址，通過(guò)對(duì)這些地址的記錄就可以隨時(shí)獲取函數(shù)調(diào)用棧了。

插樁后效果示例：

這里需要格外注意，某些不需要插樁的函數(shù)可以使用__attribute__((no_instrument_function))來(lái)向編譯器聲明。

如何記錄這些調(diào)用信息？我們想要實(shí)現(xiàn)這些信息在不同的線程之間讀取，而且不受影響。一種辦法是采用線程的同步機(jī)制，比如在這個(gè)變量的讀寫(xiě)之處加臨界區(qū)或者互斥量，但是這樣又會(huì)影響效率了。

能不能不加鎖？這時(shí)就想到了線程本地存儲(chǔ)，簡(jiǎn)稱(chēng)TLS。TLS是一個(gè)專(zhuān)用存儲(chǔ)區(qū)域，只能由自己線程訪問(wèn)，同時(shí)不存在線程安全問(wèn)題，符合這里的場(chǎng)景。

于是采用編譯器插樁記錄調(diào)用棧，并將其存儲(chǔ)在線程局部存儲(chǔ)中的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)?；厮菁铀?。具體實(shí)現(xiàn)如下：

1.利用編譯器的-finstrument-functions編譯選項(xiàng)在編譯階段插入相關(guān)代碼。

2.TLS中對(duì)調(diào)用地址的記錄采用數(shù)組+游標(biāo)的形式，實(shí)現(xiàn)最快速度的插入、刪除及獲取。

定義數(shù)組+游標(biāo)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

typedef struct {

  void* stack[MAX_TRACE_DEEP];

  int current;

} thread_stack_t; 

初始化TLS中thread_stack_t的存儲(chǔ)key：

static pthread_once_t sBackTraceOnce = PTHREAD_ONCE_INIT;

 

static void __attribute__((no_instrument_function))

destructor(void* ptr) {

  if (ptr) {

    free(ptr);

  }

}

 

static void __attribute__((no_instrument_function))

init_once(void) {

  pthread_key_create(&sBackTraceKey, destructor);

}

初始化thread_stack_t放入TLS中：

get_backtrace_info() {

  thread_stack_t* ptr = (thread_stack_t*) pthread_getspecific(sBackTraceKey);

  if (ptr)

    return ptr;

 

  ptr = (thread_stack_t*)malloc(sizeof(thread_stack_t));

  ptr->current = MAX_TRACE_DEEP - 1;

  pthread_setspecific(sBackTraceKey, ptr);

  return ptr;

}

3.實(shí)現(xiàn)__cyg_profile_func_enter和__cyg_profile_func_exit，記錄調(diào)用地址到TLS中。

void __attribute__((no_instrument_function))

__cyg_profile_func_enter(void* this_func, void* call_site) {

  pthread_once(&sBackTraceOnce, init_once);

  thread_stack_t* ptr = get_backtrace_info();

  if (ptr->current > 0)

    ptr->stack[ptr->current--] = (void*)((long)call_site - 4);

}

 

void __attribute__((no_instrument_function))

__cyg_profile_func_exit(void* this_func, void* call_site) {

  pthread_once(&sBackTraceOnce, init_once);

  thread_stack_t* ptr = get_backtrace_info();

  if (++ptr->current >= MAX_TRACE_DEEP)

    ptr->current = MAX_TRACE_DEEP - 1;

}

}　

__cyg_profile_func_enter的第二個(gè)參數(shù)call_site就是調(diào)用點(diǎn)的代碼段地址，函數(shù)進(jìn)入的時(shí)候?qū)⑺涗浀揭呀?jīng)在TLS中分配好的數(shù)組中，游標(biāo)ptr->current左移，待函數(shù)退出游標(biāo)ptr->current右移即可。

邏輯示意圖：

記錄方向和數(shù)組增長(zhǎng)方向不一致是為了對(duì)外提供的獲取棧信息接口更簡(jiǎn)潔高效，可以直接進(jìn)行內(nèi)存copy以獲取最近調(diào)用點(diǎn)的地址在前、最遠(yuǎn)調(diào)用點(diǎn)的地址在后的調(diào)用棧。

4.提供接口獲取棧信息。

get_tls_backtrace(void** backtrace, int max) {

  pthread_once(&sBackTraceOnce, init_once);

  int count = max;

  thread_stack_t* ptr = get_backtrace_info();

  if (MAX_TRACE_DEEP - 1 - ptr->current < count) {

    count = MAX_TRACE_DEEP - 1 - ptr->current;

  }

  if (count > 0) {

    memcpy(backtrace, &ptr->stack[ptr->current + 1], sizeof(void *) * count);

  }

  return count;

}

5.將上面邏輯編譯為動(dòng)態(tài)庫(kù)，其他業(yè)務(wù)模塊都依賴于該動(dòng)態(tài)庫(kù)編譯，同時(shí)編譯flag中添加-finstrument-functions進(jìn)行插樁，進(jìn)而所有函數(shù)的調(diào)用都被記錄在TLS中了，使用者可以在任何地方調(diào)用get_tls_backtrace(void** backtrace, int max)來(lái)獲取調(diào)用棧。

效果對(duì)比（采用Google的benchmark做性能測(cè)試，手機(jī)型號(hào)：華為暢想5S，5.1系統(tǒng)）：

libunwind單線程

TLS方式單線程獲取

libunwind 10個(gè)線程

TLS方式 10個(gè)線程

從上面幾個(gè)統(tǒng)計(jì)圖可以看出單線程模式下該方式是libunwind棧獲取速度的10倍，10個(gè)線程情況下是libunwind棧獲取速度的50-60倍，速度大幅提升。

優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn): 速度大幅提升，滿足更頻繁?；厮莸乃俣刃枨蟆?/p>

缺點(diǎn): 編譯器插樁，體積變大，不能直接作為線上產(chǎn)品使用，只用于內(nèi)存測(cè)試包。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)持續(xù)集成的手段解決，每次項(xiàng)目出庫(kù)將C++項(xiàng)目產(chǎn)出普通庫(kù)及對(duì)應(yīng)的內(nèi)存測(cè)試庫(kù)。

二、體系化

經(jīng)過(guò)以上步驟可以解決獲取內(nèi)存分配棧慢的痛點(diǎn)問(wèn)題，再結(jié)合Google提供的工具，如DDMS、adb shell am dumpheap -n pid /data/local/tmp/heap.txt命令等方式可以實(shí)現(xiàn)Native內(nèi)存泄漏問(wèn)題的排查，不過(guò)排查效率較低，需要一定的手機(jī)環(huán)境準(zhǔn)備。

于是，我們決定搭建一整套體系化系統(tǒng)，可以更便捷的解決此類(lèi)問(wèn)題，下面介紹下整體思路：

• 內(nèi)存監(jiān)控沿用LIBC的malloc_debug模塊。不使用官方方式開(kāi)啟該功能，比較麻煩，不利于自動(dòng)化測(cè)試，可以編譯一份放到自己的項(xiàng)目中，hook所有內(nèi)存函數(shù)，跳轉(zhuǎn)到malloc_debug的監(jiān)控函數(shù)leak_xxx執(zhí)行，這樣malloc_debug就監(jiān)控了所有的內(nèi)存申請(qǐng)/釋放，并進(jìn)行了相應(yīng)統(tǒng)計(jì)。
• 用get_tls_backtrace實(shí)現(xiàn)malloc_debug模塊中用到的__LIBC_HIDDEN__ int32_t get_backtrace_external(uintptr_t* frames, size_t max_depth)，剛好同上面說(shuō)的?；厮菁铀俜绞浇Y(jié)合。
• 建立Socket通信，支持外部程序經(jīng)由Socket進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以便更方便獲取內(nèi)存數(shù)據(jù)。
• 搭建Web端，獲取到內(nèi)存數(shù)據(jù)上傳后可以被解析顯示，這里要將地址用addr2line進(jìn)行反解。
• 編寫(xiě)測(cè)試Case，同自動(dòng)化測(cè)試結(jié)合。測(cè)試開(kāi)始時(shí)通過(guò)Socket收集內(nèi)存信息并存儲(chǔ)，測(cè)試結(jié)束將信息上傳至平臺(tái)解析，并發(fā)送評(píng)估郵件。碰到有問(wèn)題的報(bào)警，研發(fā)同學(xué)就可以直接在Web端通過(guò)內(nèi)存曲線及調(diào)用棧信息來(lái)排查問(wèn)題了。
  

系統(tǒng)效果示例：

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