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(gè)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?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(gè)：_mapcount和mapping?；趯ο蟮姆聪蛴成涞膶?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);另一種是由后臺進(jìn)程kswapd觸發(fā)，該進(jìn)程周期性地運(yùn)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(shí)現(xiàn)頁面回收的最核心的函數(shù)之一，它實(shí)現(xiàn)了對一個(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(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)啟動一個(gè)程序時(shí)會消耗一定的時(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。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(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)動的形式實(shí)現(xiàn)的，該實(shí)現(xiàn)位于drivers/misc/lowmemorykiller.c中，通過注冊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(gè)驅(qū)動的核心實(shí)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)就會調(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：
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(gè)頁面4 KB，lowmem_adj保存每個(gè)閾值對應(yīng)的優(yōu)先級。lowmem_shrink首先計(jì)算當(dāng)前空閑內(nèi)存的大小，如果小于某個(gè)閾值，則以該閾值對應(yīng)的優(yōu)先級為基準(zhǔn)，遍歷各個(gè)進(jìn)程，計(jì)算每個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)能夠快速啟動;第二部分是當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存不夠時(shí)，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(yùn)行在Java環(huán)境中，而Android采用Dalvik虛擬機(jī)，應(yīng)用程序和Ams運(yùn)行在兩個(gè)獨(dú)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(yùn)行一個(gè)Low Memory Killer進(jìn)程，該進(jìn)程啟動時(shí)會首先在Linux內(nèi)核中把自己注冊為一個(gè)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(shí)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(shí)，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。
