Android系統(tǒng)的內(nèi)存管理研究

1　Android系統(tǒng)概述

Android是Google(谷歌)公司開發(fā)的一款專門為移動(dòng)設(shè)備打造的操作系統(tǒng)。2005年谷歌公司收購Android Inc公司后，于2007年研發(fā)了基于Linux的操作系統(tǒng)Android。2008年，TMobile與HTC公司共同研發(fā)了第一款A(yù)ndroid手機(jī)——HTC G1。Android的發(fā)展速度非常驚人，僅僅3年便超過了Symbian系統(tǒng)，并且有強(qiáng)大的OEM支持以及眾多的開發(fā)者。

Android基于Linux平臺(tái)，主要由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成。采用的是軟件堆棧的結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)的底層僅提供最基本的系統(tǒng)功能。在Android系統(tǒng)中，基本上使用的是標(biāo)準(zhǔn)的Linux2.6內(nèi)核，但是Google為了讓Android更適合移動(dòng)手持設(shè)備，對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行了各種優(yōu)化和增強(qiáng)。除了Linux的通用代碼外，主要包含體系結(jié)構(gòu)和處理器、Android特定的驅(qū)動(dòng)程序和標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序3個(gè)方面的內(nèi)容。Android對(duì)Linux內(nèi)核的增強(qiáng)主要包括Alarm(硬件鬧鐘)、Ashmem(匿名內(nèi)存共享)、Low Memory Killer(低內(nèi)存管理)、Logger(日志管理)等。本文將集中分析Android的內(nèi)存管理，因?yàn)锳ndroid系統(tǒng)是在Linux系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以在介紹Linux基本的內(nèi)存管理的基礎(chǔ)上對(duì)Android的內(nèi)存管理進(jìn)行研究。

2　Linux內(nèi)存管理

在內(nèi)存管理方面，Linux系統(tǒng)新舊兩個(gè)版本(2.6之前和之后)之間有很大的不同。由于Android系統(tǒng)是基于Linux2.6.x內(nèi)核的，本文主要介紹Linux2.6在內(nèi)存管理方面的基本內(nèi)容。

2.1　反向映射機(jī)制

Linux2.6引入了基于對(duì)象的反向映射機(jī)制，這種方法為物理頁面設(shè)置一個(gè)用于反向映射的鏈表，但是鏈表上的節(jié)點(diǎn)并不是引用了該物理頁面的所有頁表項(xiàng)，而是相應(yīng)的虛擬內(nèi)存區(qū)域(vm_area_struct結(jié)構(gòu))。虛擬內(nèi)存區(qū)域通過內(nèi)存描述符(mm_struct結(jié)構(gòu))找到頁全局目錄，從而找到相應(yīng)的頁表項(xiàng)。相對(duì)于前一種方法來說，用于表示虛擬內(nèi)存區(qū)域的描述符比用于表示頁面的描述符要少得多，所以遍歷后邊這種反向映射鏈表所消耗的時(shí)間也會(huì)少很多。

page結(jié)構(gòu)中與基于對(duì)象的反向映射相關(guān)的關(guān)鍵字段有兩個(gè)：_mapcount和mapping?；趯?duì)象的反向映射的實(shí)現(xiàn)如下：

struct page{

atomic_t_mapcount;

union{

……

struct{

……

struct address_space*mapping;

};

};

字段_mapcount表明共享該物理頁面的頁表項(xiàng)的數(shù)目，該計(jì)數(shù)器可用于快速檢查該頁面除所有者之外有多少使用者在使用，初始值是-1，每增加一個(gè)使用者，該計(jì)數(shù)器加1。

字段mapping用于區(qū)分匿名頁面和基于文件映射的頁面。如果該字段的最低位置被置位，那么該字段包含的是指向anon_vma結(jié)構(gòu)(用于匿名頁面)的指針;否則，該字段包含指向address_space結(jié)構(gòu)的指針(用于基于文件映射的頁面)。

2.2　Linux頁面回收

Linux中頁面回收主要通過兩種方式觸發(fā)：一種是由“內(nèi)存嚴(yán)重不足”事件觸發(fā);另一種是由后臺(tái)進(jìn)程kswapd觸發(fā)，該進(jìn)程周期性地運(yùn)行，一旦檢測(cè)到內(nèi)存不足，就會(huì)觸發(fā)頁面回收操作。這里主要介紹shrink_zone()函數(shù)，此函數(shù)是Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頁面回收的最核心的函數(shù)之一，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)一個(gè)內(nèi)存區(qū)域的頁面進(jìn)行回收的功能。該函數(shù)主要做了兩件事：

① 將某些頁面從active鏈表移到inactive鏈表，這是由函數(shù)shrink_active_list()實(shí)現(xiàn)的;

② 從inactive鏈表中選定一定數(shù)目的頁面，將其放到一個(gè)臨時(shí)鏈表中，這由函數(shù)shrink_inactive_list()完成。

該函數(shù)最終會(huì)調(diào)用shrink_page_list()去回收這些頁面。

2.3　OOMKiller機(jī)制

OOM(Out of Memory)是標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核(kernel)的一種內(nèi)存管理機(jī)制，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存耗盡時(shí)，OOM會(huì)選擇性的殺掉一些進(jìn)程以求釋放一些內(nèi)存。

Linux在2.6.36內(nèi)核中修正了OOMKiller的行為，跟之前的OOMKiller相比，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：第一，將物理內(nèi)存頁面的使用作為基準(zhǔn)而不是虛擬地址空間的大小;第二，導(dǎo)出用戶策略的控制權(quán);第三，內(nèi)核有了一個(gè)簡(jiǎn)單而合理的默認(rèn)策略。

Linux下有3種Overcommit的策略：0,啟發(fā)式策略;1，永遠(yuǎn)允許Overcommit，這種策略適合那些不能承受內(nèi)存分配失敗的應(yīng)用;2，永遠(yuǎn)禁止Overcommit，這種策略下系統(tǒng)所能分配的內(nèi)存不會(huì)超過swap+RAM*系數(shù)。在Linux系統(tǒng)中，只要存在Overcommit，就可能會(huì)有OOMKiller跳出來。當(dāng)OOMKiller跳出來的時(shí)候，期望它可以殺掉沒用的且耗內(nèi)存多的程序，這就需要一個(gè)選擇目標(biāo)的策略。Linux下這個(gè)選擇目標(biāo)的策略也在隨著內(nèi)核的改進(jìn)不斷的演化。在Linux下每個(gè)進(jìn)程都會(huì)有個(gè)OOM權(quán)重，在/proc//oom_adj中，取值是-17~+15，取值越高，越容易被殺掉。用戶可以通過設(shè)置這些值來影響OOMKiller作出決策。這個(gè)值是系統(tǒng)綜合進(jìn)程的內(nèi)存消耗量、CPU時(shí)間、存活時(shí)間和oom_adj計(jì)算出的，消耗內(nèi)存越多分值就會(huì)越高。除此之外，Linux在計(jì)算進(jìn)程的內(nèi)存消耗的時(shí)候，會(huì)將子進(jìn)程所耗內(nèi)存的一半同時(shí)算到父進(jìn)程中。

3　Android的低內(nèi)存管理

Android是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)，當(dāng)啟動(dòng)一個(gè)程序時(shí)會(huì)消耗一定的時(shí)間。為了加快運(yùn)行速度，當(dāng)退出一個(gè)程序時(shí)，Android并不會(huì)立即殺掉它，這樣當(dāng)用戶重新運(yùn)行該程序時(shí)，可以很快地啟動(dòng)。但隨著系統(tǒng)中保留的程序越來越多，內(nèi)存肯定會(huì)出現(xiàn)不足，此時(shí)就有了Android的低內(nèi)存管理(Low Memory Killer)機(jī)制。

3.1　Low Memory Killer機(jī)制

Low Memory Killer是在標(biāo)準(zhǔn)Linux kernel的OOM基礎(chǔ)上修改而來的一種內(nèi)存管理機(jī)制，基于oom_adj和占用內(nèi)存的大小來選擇Bad進(jìn)程。對(duì)應(yīng)于每個(gè)oom_adj都有一個(gè)空閑內(nèi)存的閾值，Android kernel每隔一段時(shí)間會(huì)檢查當(dāng)前空閑內(nèi)存是否低于某個(gè)閾值。如果是，則殺死oom_adj最大的Bad進(jìn)程。如有兩個(gè)以上的Bad進(jìn)程oom_adj相同，則殺死其中占用內(nèi)存最多的進(jìn)程。

3.2　Low Memory Killer的實(shí)現(xiàn)

Low Memory Killer是以內(nèi)核驅(qū)動(dòng)的形式實(shí)現(xiàn)的，該實(shí)現(xiàn)位于drivers/misc/lowmemorykiller.c中，通過注冊(cè)Cache Shrinker實(shí)現(xiàn)。Cache Shrinker是標(biāo)準(zhǔn)Linux kernel回收頁面的一種機(jī)制，它由內(nèi)核線程kswapd監(jiān)控，當(dāng)空閑內(nèi)存頁面不足時(shí)，kswapd會(huì)調(diào)用注冊(cè)的Shrinker回調(diào)函數(shù)，來回收內(nèi)存頁面。lowmem_shrink是這個(gè)驅(qū)動(dòng)的核心實(shí)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)就會(huì)調(diào)用lowmem_shrink方法來殺掉某些內(nèi)存。lowmem_shrink用兩個(gè)數(shù)組作為選擇Bad進(jìn)程的依據(jù)，定義如下：