手写一个IO泄露监测框架

作者：长安皈故里

大家好，最近由于项目原因，对IO资源泄漏的监测进行了一番调研深入了解，发现IO泄漏监测框架实现成本比较低，效果很显著；同时由于IO监测涉及到反射，还了解到了通过一种巧妙的方式实现Android P以上非公开api的访问。

接下来本篇文章首先会带你了解一些前置知识，然后会带领从0到1手把手教你搭建一个IO泄漏监测框架。

一. 为什么要做IO泄漏检测？

IO一般就是指的常见的文件流读写、数据库读写，相信每个人都知道，完成读写后都应该手动调用流的close() 方法关闭，一旦忘记就引起了io泄漏了。

如果项目中这种问题场景比较多，就会导致fd无节制的增加，导致应用内存紧张，严重甚至引发OOM，非常影响用户体验。

为了避免操作完读写流忘记close，java和kotlin两种编程语言分别给我们提供了以下语法糖：

1. 实现java的`AutoCloseable`并搭配`try-with-resource`

看一段常见的代码：

public static void main(String[] args) {
    try (FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("test.txt"))) {
        byte[] data = new byte[1024];
        int read = fis.read(data);
        //执行其他操纵
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

FileInputStream实现了AutoCloseable接口，并重写了接口的close()方法，通过上面的try-with-resource语法，我们就不需要显示调用close方法关闭io，java会自动帮助我们完成这个操作：

常见的InputStream、OutputStream 、Scanner 、PrintWriter都实现了AutoCloseable接口，所以文件读写时可以非常方便的使用上面的语法糖。

2. 使用kotlin中的`use()`扩展

kotlin针对Closeable（实现了AutoCloseable）接口提供了下面的扩展：

我们常见的InputStream、OutputStream 、Scanner 、PrintWriter等都是支持这个扩展函数的：

override fun create(context: Context) {
    FileInputStream("").use {
    	//执行某些操作
    }
}

虽然kotlin和java都从语言层面上帮助尽可能我们读写io流实现安全关闭，但是真正到写代码时忘了是真的忘了；而且项目中还可能存在历史代码也忘记了关闭流，查找起来也是毫无头绪的。

面对上面这中情况，就需要一种io泄漏的检测机制，不管是针对项目的历史代码还是新写的代码，能够检测文件流是否关闭，没有关闭则获取流创建的堆栈并上报帮助开发定位问题，接下来我们来一步步的实现这种能力吧。

二. IO泄漏检测的实现思路

头脑风暴一下，想要检测流有没有关闭，关键就是检测诸如FileInputStream等操作文件流的类close方法有没有调用；那什么时机才应该去检测呢，当FileInputStream等流类准备销毁的时候就可以去检测了，而类销毁的时候会调用finalize()方法（PS：暂时不考虑finalize()特殊场景下的表现，这里认为都会被正常执行），所以检测的最佳时机就是在流类的finalize() 方法执行的时候。

经过上面的分析，我们可以写出下面的代码：

public class FileInputStream {

    private Object flag = null;

    public void open() {
        //打开文件流时赋值
        flag = "open";
    }

    public void close() throws Exception {
        //关闭文件流置空
        flag = null;
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        //flag等于null，说明忘记执行close方法关闭流，io泄漏
        if (flag != null) {
            Throwable throwable = new Throwable("io leak");
            //执行异常日志的打印，或者回调给外部。
            //兜底流的关闭
            close();
        }
    }
}

代码中有非常详细的注释，这里就不再一一进行讲述。

所以如果能在我们常见的FileInputStream、FileOutputStream、RandomAccessFile等流类中也增加上面的代码，io泄漏监测这不就成了！！

Android官方自然也能够想到，并且还干了，常见的官方流类FileInputStream 、 FileOutputStream 、 RandomAccessFile 、 CursorWindow等都增加了上面类似监控逻辑，接下来我们以FileInputStream为例进行分析。

三瞅瞅官方FileInputStream源码

这里我们先提前说下，官方监控流类是否泄漏，并不是直接在里面增加逻辑代码，想想也是，那么多流类，一个个增加过去导致模板代码太多，不如封装一个工具类供各个流类使用，这里的工具类就是CloseGuard。

说清了上面，我们就看下FileInputStream的源码：

1. 获取工具类`CloseGuard`

由于CloseGuard的源码无法直接在AS中查看，这里我们借助 aospxref.com/android-12.… 网站查看下该类的源码：

CloseGuard.get()方法就是创建了一个CloseGuard对象。

2. 打开文件流

FileInputStream构造方法主要干了两件事情：

通过传入的文件路径调用IoBridge.open()打开文件流（这个底层最终会调用了open(const char *pathname,int flags,mode_t mode)，做io监控时一般需要hook该方法）。
同时还会调用CloseGuard.open()方法：

这个方法主要干的事情就是创建了一个Throwable对象，获取当前流创建的堆栈，并赋值给CloseGuard的closerNameOrAllocationInfo字段。

3. 关闭文件流

FileInputStream的close()方法主要干了两件事：

调用CloseGuard的close()方法：

很简单，就是将上面赋值的closerNameOrAllocationInfo字段重新置空。

关闭文件流；

4. 重写`finalize()`监控`FileInputStream`的销毁

FileInputStream的finalize()方法主要干了两件事：

调用CloseGuard的warnIfOpen()方法：

如果closerNameOrAllocationInfo字段不为空，说明FileInputStream的close() 关闭文件流的方法漏了调用，发生了io泄漏，调用reporter.report() 方法并传入closerNameOrAllocationInfo参数（这个参数上面有说：保存了流创建时的堆栈，一旦获取到我们就能很快知道哪个地方创建的流发生了泄漏）。

兜底关闭流；

通过上面的分析可以得知，一旦发生io泄漏，就会通过reporter.report() 上报，这就是我们监控应用整体io泄漏的关键。

看下reporter是个啥：

reporter是一个静态变量，本质上是一个实现了Reporter接口的默认实现类DefaultReporter ，默认通过report() 方法打印io泄漏的系统日志。

同时外部可以注入自定义的实现了Reporter接口的类：

讲到这里大家是不是明白了，如果实现应用层的io泄漏检测，只要我们通过动态代理+反射代理掉reporter这个静态变量，替换成我们自定义实现的Reporter接口的类，并在自定义类中实现io泄漏异常上报的逻辑，不就完美实现监听了吗！！

想象很美好，现实很残酷，CloseGuard是个系统类，且被@hide隐藏，同时上面的setReporter()方法被@UnsupportedAppUsage注解，所以这个是官方非公开的api。在Android P以下自然可以通过反射调用，但是在Android P及以上使用反射就会报错，所以还得探索一种高版本能够成功反射系统非公开api的方法。

四. Android P及以上非公开api访问的实现

想要访问系统非公开api，那就只有系统api才能调用，一般有两种方式：

将我们自己的类的classloader转换为系统的classloader去调用系统非公开api；
借助于系统类方法去调用系统非公开api，即双反射实现机制；

这里我们采用的是第二种双反射实现方式，并且weishu大佬提供了一个github库方面我们拿来使用：

dependencies {
    implementation 'com.github.tiann:FreeReflection:3.1.0'
}

然后在Application.attachBaseContext()方法中调用;

@Override
protected void attachBaseContext(Context base) {
    super.attachBaseContext(base);
    Reflection.unseal(base);
}

五. 从0到1搭建IO泄露监测框架

上面的准备知识都讲解完毕了，接下来我们从0到1开始我们的io泄漏检测框架搭建之旅吧。

1. 创建名称为`ResourceLeakCanary`的一个module，并引入下面两个依赖

dependencies {
    implementation 'com.github.tiann:FreeReflection:3.1.0'

    implementation("androidx.startup:startup-runtime:1.1.1")
}

2. 通过startup实现SDK的自动初始化，并借助`FreeReflection`库解除系统非公开api访问限制

class IOLeakCanaryInstall : Initializer<Unit> {

    override fun create(context: Context) {
        //android p及以上非公开api允许调用
        Reflection.unseal(context)
        //初始化核心io泄漏监测
        IOLeakCanaryCore().init(context.applicationContext)
        Log.i(IOLeakCanaryCore.TAG, "IOLeakCanaryInstall install success!")
    }

    override fun dependencies(): MutableList<Class<out Initializer<*>>> = mutableListOf()
}

3. 创建`IOLeakCanaryCore`，里面实现核心的hook `CloseGuard#Reporter`的逻辑

class IOLeakCanaryCore {

    companion object {
        const val TAG = "IOLeakCanary"

        lateinit var APPLICATION: Context
    }

    /**
     * CloseGuard原始的Reporter接口实现类DefaultReporter
     */
    private var mOriginalReporter: Any? = null

    fun init(application: Context) {
        APPLICATION = application
        val hookResult = tryHook()
        Log.i(TAG, "init: hookResult = $hookResult")
    }

    @SuppressLint("SoonBlockedPrivateApi")
    private fun tryHook(): Boolean {
        try {
            val closeGuardCls = Class.forName("dalvik.system.CloseGuard")
            val closeGuardReporterCls = Class.forName("dalvik.system.CloseGuard$Reporter")

            //拿到CloseGuard原始的Reporter接口实现类DefaultReporter
            val methodGetReporter = closeGuardCls.getDeclaredMethod("getReporter")
            mOriginalReporter = methodGetReporter.invoke(null)

            //获取setReporter的Method实例，便于后续反射该方法注入我们自定义的Report对象
            val methodSetReporter =
                closeGuardCls.getDeclaredMethod("setReporter", closeGuardReporterCls)
            //将CloseGuard的stackAndTrackingEnabled字段置为true，否则为false将不会调用自定义的Reporter对象
            val methodSetEnabled =
                closeGuardCls.getDeclaredMethod("setEnabled", Boolean::class.java)
            methodSetEnabled.invoke(null, true)
            //借助动态代理+反射注入我们自定义的Report对象
            val classLoader = closeGuardReporterCls.classLoader ?: return false
            methodSetReporter.invoke(
                null,
                Proxy.newProxyInstance(
                    classLoader,
                    arrayOf(closeGuardReporterCls),
                    IOLeakReporter()
                )
            )
            return true
        } catch (e: Throwable) {
            Log.e(TAG, "tryHook error: message = ${e.message}")
        }
        return false
    }

    /**
     * 拦截report并收集堆栈
     */
    inner class IOLeakReporter : InvocationHandler {

        override fun invoke(proxy: Any?, method: Method?, args: Array<out Any>?): Any? {
            if (method?.name == "report") {
                //io泄漏，收集堆栈并上报，其中args[1]就代表着上面的
                //CloseGuard#closerNameOrAllocationInfo字段，保存了流打开时的堆栈详细
                val stack = args?.get(1) as? Throwable ?: return null
                val stackTraceToString = stackTraceToString(stack.stackTrace)
            	//这里只是通过日志进行打印，有需要的可以定制这块逻辑，比如加入异常上报机制
                Log.i(TAG, "IOLeakReporter: invoke report = $stackTraceToString")
                return null
            }

            return method?.invoke(mOriginalReporter, args)
        }

        /**
    	* 处理堆栈
    	*/
        private fun stackTraceToString(arr: Array<StackTraceElement>?): String {
            val stacks = arr?.toMutableList()?.take(8) ?: return ""
            val sb = StringBuffer(stacks.size)
            for (stackTraceElement in stacks) {
                sb.append(stackTraceElement.toString()).appendLine()
            }
            return sb.toString()
        }
    }
}

类上面有非常丰富的注释，我这里就不再进行一一讲解，大家仔细阅读下上面的代码自然会明白。

以上就是全部的代码了，总共也就100行左右，我们可以在上面的IOLeakReporter的invoke方法中对于io泄漏接入告警机制，非常适合在debug环境下进行对项目进行一个全面的io泄漏检测。代码写完了，接下来我们就做一个测试吧。

4. io泄漏检测测试

我们写一段测试代码，获取cpu相关详细，并且故意不释放文件流：

运行下项目，查看logcat日志输出：

可以看到有告警日志打印，并通过日志直接就定位到了异常逻辑：代码第35行创建的FileInputStream流使用完之后没有被关闭，这样我们就可以很快去修复了。

六. 总结

其实，如果了解过matrix-io-canary源码的人，应该很快就可以发现，这不就是matrix-io-canary中io泄漏监测的实现源码吗！ 笔者只是在通读了matrix-io-canary之后，通过整理涉及到的相关知识点，以一种更加通俗的方式进行了讲解，希望本篇文章能对你有所帮助。

不过请注意，以上CloseGuard是基于Android12的源码进行的分析，不同的系统版本比如Android8实现是不同的；而且涉及到系统非公开api的访问也是借助了FreeReflection进行了实现，本身Android官方是禁止使用这些非公开api的，所以为了应用的稳定性，建议大家只在debug环境下使用上述逻辑。

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