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[導(dǎo)讀]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,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更適合移動手持設(shè)備,對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)動程序和標(biāo)準(zhǔn)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(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(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引入了基于對象的反向映射機(jī)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?;趯ο蟮姆聪蛴成涞膶崿F(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(yán)重不足”事件觸發(fā);另一種是由后臺進(jìn)程kswapd觸發(fā),該進(jìn)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(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(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,OOM會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)核有了一個簡單而合理的默認(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(dāng)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(biāo)的策略。Linux下這個選擇目標(biāo)的策略也在隨著內(nèi)核的改進(jìn)不斷的演化。在Linux下每個進(jìn)程都會有個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。這個值是系統(tǒng)綜合進(jìn)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(jìn)程的內(nèi)存消耗的時候,會將子進(jìn)程所耗內(nèi)存的一半同時算到父進(jìn)程中。

3 Android的低內(nèi)存管理

Android是一個多任務(wù)系統(tǒng),當(dāng)啟動一個程序時會消耗一定的時間。為了加快運行速度,當(dāng)退出一個程序時,Android并不會立即殺掉它,這樣當(dāng)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(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(dāng)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(jìn)程。如有兩個以上的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(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,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(dāng)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(jìn)程的依據(jù),定義如下:[!--empirenews.page--]

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(dāng)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(zhǔn),遍歷各個進(jìn)程,計算每個進(jìn)程占用內(nèi)存的大小,找出優(yōu)先級大于基準(zhǔn)優(yōu)先級的進(jìn)程,在這些進(jìn)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(jìn)程。lowmem_shrink殺死進(jìn)程的方法是向進(jìn)程發(fā)送一個不可以忽略或阻塞的SIGKILL信號:force_sig(SIGKILL,selected)。

3.3 內(nèi)存管理

Android中的內(nèi)存管理分為兩個部分:第一部分是當(dāng)應(yīng)用程序關(guān)閉后,后臺對應(yīng)的進(jìn)程并沒有真正退出,以便下次再啟動時能夠快速啟動;第二部分是當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存不夠時,Ams會主動根據(jù)內(nèi)存管理機(jī)制退出優(yōu)先級較低的進(jìn)程。這里主要介紹第二部分。

Ams(Activity manager service)運行在Java環(huán)境中,而Android采用Dalvik虛擬機(jī),應(yīng)用程序和Ams運行在兩個獨立的虛擬機(jī)中,Ams并不會知道應(yīng)用程序的內(nèi)存分配情況。那內(nèi)存是怎么管理的呢?在Android中運行一個Low Memory Killer進(jìn)程,該進(jìn)程啟動時會首先在Linux內(nèi)核中把自己注冊為一個OOM Killer,即當(dāng)Linux內(nèi)核的內(nèi)存管理模塊檢測到系統(tǒng)內(nèi)存低的時候就會通知已經(jīng)注冊的OOM進(jìn)程,然后這些OOM Killer就可以根據(jù)各種規(guī)則進(jìn)行內(nèi)存釋放。當(dāng)內(nèi)存滿足低的條件時,Linux內(nèi)核管理模塊通知OOM Killer,Killer則根據(jù)Ams所告知的優(yōu)先級,強(qiáng)制退出優(yōu)先級低的應(yīng)用程序。

4 Android內(nèi)存優(yōu)化研究

Android內(nèi)存管理機(jī)制主要是針對進(jìn)程的優(yōu)先級和內(nèi)存占用情況來對進(jìn)程進(jìn)行管理的,所以對內(nèi)存管理的優(yōu)化也主要體現(xiàn)在對進(jìn)程閾值的設(shè)定上。

4.1 Android進(jìn)程

Android根據(jù)進(jìn)程的重要性,將進(jìn)程分為以下幾類:

① FOREGROUD_APP(前臺進(jìn)程),用戶正在使用的進(jìn)程和一些系統(tǒng)進(jìn)程。

② VISIBLE_APP(可見的進(jìn)程)跟FOREGROUD_APP類似,用戶正在使用或看得到,它們的區(qū)別就是VISIBLE_APP可能不是用戶關(guān)注的程序,但是用戶看得到,或者沒有覆蓋到整個屏幕,只有屏幕的一部分。

③ SECONDARY_SERVER(后臺進(jìn)程)是被切換到后臺的進(jìn)程,后臺進(jìn)程的管理策略有很多種,Android采用一種消極的方式,即盡可能地保留后臺程序,這樣可以很好地提高再次啟動的速度。

④ HIDDEN_APP(隱藏的程序)是用戶看不見但是還在運行的程序,跟②有一定的區(qū)別。

⑤ CONTENT_PROVIDER(內(nèi)容供應(yīng)節(jié)點)沒有程序?qū)嶓w,僅提供內(nèi)容供別的進(jìn)程使用,比如日歷供應(yīng)節(jié)點、郵件供應(yīng)節(jié)點等。

⑥ EMPTY_APP(空進(jìn)程)既不提供服務(wù),也不提供內(nèi)容。當(dāng)進(jìn)程退出時,系統(tǒng)會自動為其保留一個空進(jìn)程,目的也是為了保證程序再次啟動的速度。

以上每個進(jìn)程都會有個oom_adj值,①~⑥分別為0、1、2、7、14、15。

除了程序的重要性,Android系統(tǒng)還會維護(hù)另外一張表,進(jìn)程優(yōu)先級及閾值對應(yīng)關(guān)系如表1所列。

表1 進(jìn)程優(yōu)先級及閾值對應(yīng)關(guān)系

 

 

這個表定義了一個對應(yīng)關(guān)系,每個警戒值對應(yīng)了一個重要性值,當(dāng)系統(tǒng)的可用內(nèi)存低于某個警戒值時,就殺掉所有大于該警戒值對應(yīng)的重要性的程序。

4.2 內(nèi)存管理優(yōu)化

Android的Low Memory Killer機(jī)制基本上可以滿足普通用戶的需求,但是針對于某些特定用戶就需要對特定程序進(jìn)行某些設(shè)置,從而手動地參與內(nèi)存管理。對進(jìn)程的優(yōu)化主要設(shè)置6類進(jìn)程的閾值,系統(tǒng)閾值存在的問題包括:第一,各類進(jìn)程管理策略的閾值相當(dāng)接近,在實際程序運行中,很容易導(dǎo)致多種類型的進(jìn)程同時被關(guān)閉;第二,閾值上限較低,一般手機(jī)啟動后,可用內(nèi)存在50~100 MB左右,但隨著手機(jī)的使用,內(nèi)存會逐漸減小,最后降低到24 MB左右,但24 MB相對較低,會降低系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

優(yōu)化原則:拉開各進(jìn)程的閾值層次,使得進(jìn)程管理機(jī)制能更有效地工作;提高閾值上限,空出更多的空余內(nèi)存,以提升系統(tǒng)整體的運行速度;前臺進(jìn)程、可見進(jìn)程和次要服務(wù)是與用戶體驗息息相關(guān)的內(nèi)容,這部分的進(jìn)程管理策略要相對保守,給這些進(jìn)程留下足夠的運行空間;壓榨無用進(jìn)程,騰出內(nèi)存空間給主要程序使用。

4.3 內(nèi)存測試

本文以O(shè)K6410開發(fā)板為例,對內(nèi)存優(yōu)化進(jìn)行測試,OK6410采用的是Android2.3.4系統(tǒng),256 MB內(nèi)存。系統(tǒng)默認(rèn)內(nèi)存配置如圖1所示。

 

 

圖1 系統(tǒng)默認(rèn)內(nèi)存配置(MB)

這里采用測試程序?qū)ο到y(tǒng)性能進(jìn)行測試評分,在系統(tǒng)默認(rèn)配置情況下優(yōu)化前的內(nèi)存測評如圖2所示。

 

 

圖2 優(yōu)化前的內(nèi)存測評

 

 

圖3 優(yōu)化內(nèi)存分配(MB)

針對某些特定需求,以游戲玩家為例,此時只需要游戲運行有足夠的內(nèi)存空間,而對多任務(wù)的需求不高。因此,可以盡量壓榨后臺進(jìn)程、內(nèi)容供應(yīng)節(jié)點和空進(jìn)程,將內(nèi)存盡可能地留給前臺進(jìn)程和系統(tǒng)程序,進(jìn)而提升游戲運行速度。在此設(shè)置的值如圖3所示。

此設(shè)置大幅度提升了后臺進(jìn)程、內(nèi)容供應(yīng)節(jié)點和空進(jìn)程的閾值,這樣當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存小于100 MB時就可以最先殺死空進(jìn)程,然后根據(jù)內(nèi)存情況,進(jìn)而殺死后臺進(jìn)程和內(nèi)容供應(yīng)節(jié)點。如此,就為前臺進(jìn)程和系統(tǒng)進(jìn)程留下了足夠的內(nèi)存空間,很好地滿足特定用戶的需求。在此情況下的系統(tǒng)測評如圖4所示。

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圖4 優(yōu)化后測評分?jǐn)?shù)

通過圖2跟圖4的分?jǐn)?shù)以及理論分析,可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在內(nèi)存方面的性能有了明顯的提升。

結(jié)語

Android的內(nèi)存管理基于Linux,并在此基礎(chǔ)上有了很大的改變,在性能和穩(wěn)定性方面為移動設(shè)備提供了很好的支持。其本身的內(nèi)存管理機(jī)制可以合理地對每個進(jìn)程進(jìn)行管理,用戶可以根據(jù)自己的需求通過對各個級別的優(yōu)先級及閾值的改變參與到系統(tǒng)內(nèi)存的管理中來。

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