Android系統(tǒng)的內(nèi)存管理探究分析

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——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)，并且有強大的OEM支持以及眾多的開發(fā)者。
　　Android基于Linux平臺，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，基本上使用的是標準的Linux2.6內(nèi)核，但是Google為了讓Android更適合移動手持設(shè)備，對Linux內(nèi)核進行了各種優(yōu)化和增強。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)動程序和標準的設(shè)備驅(qū)動程序3個方面的內(nèi)容。Android對Linux內(nèi)核的增強主要包括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，因為Android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Android的內(nèi)存管理進行研究。
　　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　反向映射機制
　　Linux2.6引入了基于對象的反向映射機制，這種方法為物理頁面設(shè)置一個用于反向映射的鏈表，但是鏈表上的節(jié)點并不是引用了該物理頁面的所有頁表項，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。相對于前一種方法來說，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間也會少很多。
　　page結(jié)構(gòu)中與基于對象的反向映射相關(guān)的關(guān)鍵字段有兩個：_mapcount和mapping。基于對象的反向映射的實現(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的數(shù)目，該計數(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，每增加一個使用者，該計數(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)存嚴重不足”事件觸發(fā)；另一種是由后臺進程kswapd觸發(fā)，該進程周期性地運行，一旦檢測到內(nèi)存不足，就會觸發(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)實現(xiàn)頁面回收的最核心的函數(shù)之一，它實現(xiàn)了對一個內(nèi)存區(qū)域的頁面進行回收的功能。該函數(shù)主要做了兩件事：
　?、?將某些頁面從active鏈表移到inactive鏈表，這是由函數(shù)shrink_active_list（）實現(xiàn)的；
　?、?從inactive鏈表中選定一定數(shù)目的頁面，將其放到一個臨時鏈表中，這由函數(shù)shrink_inactive_list（）完成。
　　該函數(shù)最終會調(diào)用shrink_page_list（）去回收這些頁面。
　　2.3　OOMKiller機制
　　OOM（Out of Memory）是標準Linux內(nèi)核（kernel）的一種內(nèi)存管理機制，當系統(tǒng)內(nèi)存耗盡時，OOM會選擇性的殺掉一些進程以求釋放一些內(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個方面：第一，將物理內(nèi)存頁面的使用作為基準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)核有了一個簡單而合理的默認策略。
　　Linux下有3種Overcommit的策略：0，啟發(fā)式策略；1，永遠允許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，永遠禁止Overcommit，這種策略下系統(tǒng)所能分配的內(nèi)存不會超過swap+RAM*系數(shù)。在Linux系統(tǒng)中，只要存在Overcommit，就可能會有OOMKiller跳出來。當OOMKiller跳出來的時候，期望它可以殺掉沒用的且耗內(nèi)存多的程序，這就需要一個選擇目標的策略。Linux下這個選擇目標的策略也在隨著內(nèi)核的改進不斷的演化。在Linux下每個進程都會有個OOM權(quán)重，在/proc/《pid》/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。這個值是系統(tǒng)綜合進程的內(nèi)存消耗量、CPU時間、存活時間和oom_adj計算出的，消耗內(nèi)存越多分值就會越高。除此之外，Linux在計算進程的內(nèi)存消耗的時候，會將子進程所耗內(nèi)存的一半同時算到父進程中。
　　3　Android的低內(nèi)存管理
　　Android是一個多任務(wù)系統(tǒng)，當啟動一個程序時會消耗一定的時間。為了加快運行速度，當退出一個程序時，Android并不會立即殺掉它，這樣當用戶重新運行該程序時，可以很快地啟動。但隨著系統(tǒng)中保留的程序越來越多，內(nèi)存肯定會出現(xiàn)不足，此時就有了Android的低內(nèi)存管理（Low Memory Killer）機制。
　　3.1　Low Memory Killer機制
　　Low Memory Killer是在標準Linux kernel的OOM基礎(chǔ)上修改而來的一種內(nèi)存管理機制，基于oom_adj和占用內(nèi)存的大小來選擇Bad進程。對應(yīng)于每個oom_adj都有一個空閑內(nèi)存的閾值，Android kernel每隔一段時間會檢查當前空閑內(nèi)存是否低于某個閾值。如果是，則殺死oom_adj最大的Bad進程。如有兩個以上的Bad進程oom_adj相同，則殺死其中占用內(nèi)存最多的進程。
　　3.2　Low Memory Killer的實現(xiàn)
　　Low Memory Killer是以內(nèi)核驅(qū)動的形式實現(xiàn)的，該實現(xiàn)位于drivers/misc/lowmemorykiller.c中，通過注冊Cache Shrinker實現(xiàn)。Cache Shrinker是標準Linux kernel回收頁面的一種機制，它由內(nèi)核線程kswapd監(jiān)控，當空閑內(nèi)存頁面不足時，kswapd會調(diào)用注冊的Shrinker回調(diào)函數(shù)，來回收內(nèi)存頁面。lowmem_shrink是這個驅(qū)動的核心實現(xiàn)，當內(nèi)存不足時就會調(diào)用lowmem_shrink方法來殺掉某些內(nèi)存。lowmem_shrink用兩個數(shù)組作為選擇Bad進程的依據(jù)，定義如下：
　　static int lowmem_adj［6］={0，1，6，12};
　　static int lowmem_adj_size=4;
　　static size_t lowmem_minfree［6］={3*512，2*1024，4*1024，16*1024};
　　lowmem_minfree保存空閑內(nèi)存的閾值，單位是一個頁面4 KB，lowmem_adj保存每個閾值對應(yīng)的優(yōu)先級。lowmem_shrink首先計算當前空閑內(nèi)存的大小，如果小于某個閾值，則以該閾值對應(yīng)的優(yōu)先級為基準，遍歷各個進程，計算每個進程占用內(nèi)存的大小，找出優(yōu)先級大于基準優(yōu)先級的進程，在這些進程中選擇優(yōu)先級最大的殺死。如果優(yōu)先級相同，則選擇占用內(nèi)存最多的進程。lowmem_shrink殺死進程的方法是向進程發(fā)送一個不可以忽略或阻塞的SIGKILL信號：force_sig（SIGKILL，selected）。