BIGO 技术 | Flutter 内存优化指南
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一、前言
Flutter 是谷歌推出的一款跨平台 UI 开发框架，开发效率高效，性能媲美原生，最近一年，逐步落地到 BIGO 旗下 Hello，HelloYo，电商等应用，带来开发效率提升的同时，也引入了大量的风险和挑战，其中 Flutter 内存占用提升带来的 App 稳定性风险最为突出。
BIGO 客户端基础架构组在 Flutter 内存方面做了大量的工作：
（1）质量监控方面；在灵雀 APM 原生性能监控的基础上，研发了 Dart 内存泄露监控，Dart 内存占用分析等全新的子系统，覆盖开发与发布阶段。
（2）基础设施方面；针对 Flutter 原生图片存在的种种问题，研发了基于外接纹理的图片框架作为替代品，内存峰值降低 50% 以上，大大减少了线上 OOM 发生几率。
除此之外，还引入了主动 GC，引擎共享，长列表图片加载优化等多项优化方案。
本文将从 Flutter 内存基础知识开始讲起，介绍下 Flutter 内存现状与风险，核心场景的内存优化，线下与线上全链路监控与分析等内容。
二、背景知识
Flutter 应用的内存占用主要包括三大部分（如下图所示）
（1）Flutter 引擎和 Dart VM 本身的内存占用。
（2）Dart 对象的内存占用，这部分内存会分配在 Dart 堆内存上。和 Java 的堆内存结构类似，Dart 也将堆内存分为新生代和老年代：新生代存放生命周期较短、内存占用较小的对象；老年代存放生命周期长、内存占用大的对象。
那么如何确定 DartVM 占用的具体内存大小呢？
我们设计了一个混合编译的测试方案，从启动 Flutter 后又退回到原生页面后，仍然有大约 28 MB 的内存占用，其中包括 3.5 MB 的 Native 内存增长，7.53 MB 的 code 内存增长，6.5 MB 的 private other 内存增长，以及 10 MB 的 system 内存增长。当我们尝试调用了 Flutter 提供的引擎销毁接口（如下图所示，ANDROID_SHELL_HOLDER 只是一个共享指针，只会释放 Flutter 引擎本身运行时内存，不会释放 DartVM ），内存继续降低 6 MB 左右（ Flutter 引擎本身运行时内存），基本来自 private other 部分内存的释放。
三、Flutter 内存现状和问题
除了 Flutter 相对原生组件带来的内存提升，开发过程中也遇到很多引擎内部引发的内存问题，比如 OOM，内存泄露，内存回收缓慢等，官方的 Issue 中也有很多类似的反馈。
最常见的比如 iOS 上展示 Emoji 表情带来的内存飙升（https://github.com/flutter/flutter/issues/36358），Skia 自身的内存泄露（https://github.com/flutter/flutter/issues/47108），快速滑动图片列表导致的 OOM 等。
除了内部 Flutter 引擎版本即时同步官方修改来解决问题外，BIGO 内部也针对很多场景进行了专项优化，比如长列表图片内存优化，基于外接纹理的图片管理框架，引擎共享等，下面会详细介绍。
四、Flutter 内存优化
首先来看图片组件，作为项目开发的最基础组件之一，同样也是内存消耗大户，对一个应用的质量有举足轻重的影响。在 Flutter 开发中，Image 作为 Flutter 的原生图片组件，存在很多天然的缺陷：
（1）单独资源目录，无法访问 Native 端的资源文件，混编项目可能会有同一份资源两份内存占用的情况。
（2）Flutter 本身内存缓存较为简陋，没有磁盘缓存。
（3）长列表滑动卡顿严重。
（4）图片网络下载方式不可配置。
为了进一步减少图片内存占用，复用原生端成熟的图片下载、缓存组件，我们决定采用外接纹理的方案，来代替 Flutter Image 组件，以获得更好的体验。
另外，我们也采用了几种优化策略（整体架构如下），增加内存复用，减少内存占用，降低峰值：
（1）纹理缓存：采用引用计数和 LRU 缓存来进行纹理的复用，减少内存抖动。
（2）长列表优化：主要针对之前发现的在原生 Image 组件在长列表场景下的缺陷进行优化，包括：串行队列分发，多阶段拦截，缓存策略优化。
（3）纹理复用：同一个图片使用同一个 textureID。
上述的方案均聚焦于降低 Flutter 引擎和核心组件带来的内存消耗，除此之外，我们也尝试了一些主动释放内存的方法，在适当的时机（比如 Android 的 onTrimMemory 和 onLowMemory 回调）时主动回收内存，降低 OOM 发生几率。
首先尝试了 Engine 自带的 Destroy 接口，该接口会释放除了 DartVM（被缓存）的所有内存，但是在实际的测试过程中发现，某些情况下会导致 APP 崩溃，存在一定的风险。
另外一种方式就是尝试显式调用 GC，虽然大多数场景下，开发者并不需要关心 DartVM 的 GC 时机，但是在某些极端场景下，显式调用 GC 可以有效的降低应用发生 OOM 的几率。
前面提到过，Flutter 与 Dart 扩展库并没有显式暴露任何 GC 接口，如果我们需要使用，则必须修改官方引擎代码，为后续的引擎升级带来潜在成本。对此，我们参考了 Flutter 中对 Dart 层接口进行扩展的方式，新建一个类对已有的接口进行扩展和导出（如下图所示），从物理上进行隔离，方便快速完成引擎升级。
五、Flutter 内存监控
Android/iOS 原生占用内存监控已经非常成熟，BIGO 内部主要使用已有的灵雀 APM 进行实时监控。
DartVM 的内存消耗监控却没有那么直接，官方 SDK 没有可以获取到这些信息的接口，所以我们也和扩展 GC 接口一样，扩展了获取 Dart VM 信息的接口，并采用类似 native 端的策略，来取到各个 Flutter 页面的 Dart VM 的内存增量信息。
Dart 层的内存水位监控主要包括（数据格式如下）：
（1）内存总容量。
（2）已使用内存。
（3）External 内存使用量 。
在 Flutter 开发中，我们可以使用 Observatory 直接进行 Dart 内存对象的分析，但Observatory 展示的数据是所有 Dart 对象的信息，有时候并不是那么直观。我们需要一个工具来自动监控并检测内存泄露。
Dart 内存泄漏检测主要使用了弱引用 Expando+GC 的原理来判断是否有内存泄漏对象存在。
首先我们把需要检测的对象，放入到 Expando 中，Expando 会根据被检测对象的_identityHashCode 生成一个 key，并进而封装成一个 _WeakProperty 对象，然后弱引用持有key。_WeakProperty 是对 C 层 WeakProperty 对象的一个封装类，具体的弱引用实现是在 C 层实现的。之后主动触发一次 GC，再遍历 Expando 集合中的数据，如果 key 的对象不为空，就说明被检测对象仍然存在着引用链，存在 Dart 对象的内存泄漏。
由于 Expando 存储引用的 map 是一个私有变量，Dart 又不支持反射，一般无法获取。我们可以借助 Dart SDK 提供的 vm_service 服务实现这个私有变量获取，Observatory 的实现基础也是依赖这个服务。基于以上原理，最终实现效果如下图所示：
Flutter 的内存泄露除了一部分属于上述的 Dart 内存泄露之外，还存在一些原生平台 Native 内存的泄露。
以 Android 为例，主要使用了客户端基础架构组研发的 NativeLeakCanary，通过对关键内存操作的记录和分析，定位到泄露发生的场景，使用效果如下：
五、总结
内存优化只是 Flutter 基础质量建设的冰山一角，整个基础质量还有很多其它方面的工作也在不断的探索和建设，包括卡顿、启动耗时、包大小等等，以覆盖更多的业务场景，提供更好的开发和产品体验。另外我们也在提高基础设施的自动化和流程化，使开发同学可以聚焦于业务开发， 提高研发效率。
我们相信 Flutter 的 UI 跨端一致性、几乎接近原生的性能，以及不断成长的生态，会在将来的客户端开发模式中占据 C 位，使所有的业务以及开发者从中受益。
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