Android 内存管理机制详解

栏目：综合技术时间：2016-12-06 10:38:45

嵌入式装备的1个普遍特点是内存容量相对有限。当运行的程序超过1定数量时，或触及复杂的计算时，极可能出现内存不足，进而致使系统卡顿的现象。Android 系统也不例外，它一样面临着装备物理内存短缺的窘境。对已启动过1次的Android程序，再1次启动所花的时间会明显减少。缘由在于Android系统其实不马上清算那些已”淡出视野”的程序（比如你调用Activity.finish退出UI界面）。它们在1定的时间里依然驻留在内存中。这样做的好处是明显的，即下1次启动不需要再为程序重新创建1个进程；坏处就是，加大了内存OOM的几率。

Linux内存监控机制（OOMKiller）

Android是基于Linux的，而Linux底层内核有自己的内存监控机制，即OOMKiller。1旦发现系统的可用内存到达临界值，这个OOM的管理者就会自动跳出来清算内存。

OOMKiller有不同的策略和不同的处理手段。它的核心思想以下：

依照优先级顺序，从低到高逐渐杀掉进程，回收内存。

优先级的设定策略主要斟酌两个方面：1个是要斟酌对系统的侵害程度（例如系统的核心进程，优先级通常较高），另外一方面也希望尽量多地释放无用内存。1个公道的策略最少需要斟酌以下几个因素：

进程消耗的内存
进程占用的CPU时间
oom_adj(OOM权重)

内核所管理的进程都有1个衡量其oom权重的值，存储在/proc/< PID >/oom_adj中。根据这1权重值和上面所提及的若干其他因素，系统会实时给每一个进程评分，以决定OOM时应当杀死哪些进程。
这个值存储在/proc/< PID >/oom_score中。
oom_score分数越低的进程，被杀死的几率越小，或说被杀死的时间越晚。
下面展现了PID为5912的NetworkManager进程的oom_adj 和oom_score,可以看到分数很低，说明此进程10分重要，1般不会被系统杀死。

oom_score

Android 内存管理机制

基于Linux内核OOM Killer的核心思想，Android 系统扩大出了自己的内存监控体系。由于Linux下的内存杀手需要等到系统资源”濒临绝境”的情况下才会产生效果，而Android则实现了自己的Killer.

Android 系统为此开发了1个专门的驱动，名为Low Memory Killer(LMK)。源码路径在内核工程的 drivers/staging/android/Lowmemorykiller.c中。
它的驱动加载函数以下：

static int __init lowmem_init(void)
{
    register_shrinker(&lowmem_shrinker);
    return 0;
}

可见LMK向内核线程注册了1个shrinker的监听回调，实现体为lowmem_shrinker。当系统的空闲页面低于1定阈值时，这个回调就会被履行。

Lowmemorykiller.c 中定义了两个数组，分别以下：

static short lowmem_adj[6] = {
    0,
    1,
    6,
   12,
 };
static int lowmem_adj_size = 4;//下面的数值以此为单位（页大小）
static int lowmem_minfree[6] = {
    3 * 512,    /* 6MB */
    2 * 1024,   /* 8MB */
    4 * 1024,   /* 16MB */
    16 * 1024,  /* 64MB */
};

第1个数组lowmem_adj最多有6个元素，默许只定义了4个，它表示可用容量处于”某层级”时需要被处理的adj值；第2个数组则是对”层级”的描写。这样说可能不清楚，举个例子，lowmem_minfree 的第1个元素是3*512，3*512*lowmem_adj_size=6MB.意味着当可用内存小于6MB时，Killer需要清算adj的值为0(即lowmem_adj的第1个元素)以下的那些进程。其中adj的取值范围是⑴7~15，数字越小表示进程级别越高，通常只有0⑴5被使用。

下图是LWK机制的实现简图。

LWK实现简图

这两个数组只是系统的预定义值，我们可以根据项目的实际需求来定制。

Android系统提供了相应的文件来供我们修改这两组值。

路径以下：

/sys/module/lowmemorykiller/parameters/adj
/sys/module/lowmemorykiller/parameters/minfree

可以在 init.rc(系统启动时，由init进程解析的第1个脚本)中加入以下语句。init.rc路径为/system/core/rootdir/init.rc

/sys/module/lowmemorykiller/parameters/adj  0,8
/sys/module/lowmemorykiller/parameters/minfree 1024,4096

Android进程分类

进程omm_adj的大小跟进程的类型和进程被调度的次序有关。

在Android中，进程主要分为以下几个种类：

1. 前台进程（foreground）

目前正在屏幕上显示的进程和1些系统进程。举例来讲，Dialer，Storage，Google Search等系统进程就是前台进程；再举例来讲，当你运行1个程序，如阅读器，当阅读器界面在前台显示时，阅读器属于前台进程（foreground），但1旦你按home回到主界面，阅读器就变成了后台程序（background）。我们最不希望终止的进程就是前台进程。

2. 可见进程（visible）

可见进程是1些不再前台，但用户仍然可见的进程，举个例来讲：widget、输入法等，都属于visible。这部份进程虽然不在前台，但与我们的使用也密切相干，我们也不希望它们被终止（你肯定不希望时钟、天气，新闻等widget被终止，那它们将没法同步，你也不希望输入法被终止，否则你每次输入时都需要重新启动输入法）。

3. 桌面进程（home app）

即launcher，保证在多任务切换以后，可以快速返回到home界面而不需重新加载launcher。

4. 次要服务（secondary server）

目前正在运行的1些服务（主要服务，如拨号等，是不可能被进程管理终止的，故这里只谈次要服务），举例来讲：谷歌企业套件，Gmail内部存储，联系人内部存储等。这部份服务虽然属于次要服务，但很1些系统功能仍然息息相干，我们经常需要用到它们，所以也不太希望他们被终止。

5. 后台进程（hidden）

即是后台进程（background），就是我们通常意义上理解的启动后被切换到后台的进程，如阅读器，浏览器等。当程序显示在屏幕上时，他所运行的进程即为前台进程（foreground），1旦我们按home返回主界面（注意是按home，不是按back），程序就驻留在后台，成为后台进程（background）。后台进程的管理策略有多种：有较为积极的方式，1旦程序到达后台立即终止，这类方式会提高程序的运行速度，但没法加速程序的再次启动；也有较消极的方式，尽量多的保存后台程序，虽然可能会影响到单个程序的运行速度，但在再次启动已启动的程序时，速度会有所提升。这里就需要用户根据自己的使用习惯找到1个平衡点。

6. 内容供应节点（content provider）

没有程序实体，进提供内容供别的程序去用的，比如日历供应节点，邮件供应节点等。在终止进程时，这类程序应当有较高的优先权。

7. 空进程（empty）

没有任何东西在内运行的进程，有些程序，比如BTE，在程序退出后，仍然会在进程中驻留1个空进程，这个进程里没有任何数据在运行，作用常常是提高该程序下次的启动速度或记录程序的1些历史信息。这部份进程无疑是应当最早终止的。

在AMS 用于处理进程的相干代码文件ProcessList.java 中，定义了不同类型的adj值，以下所示：

/**
*省略其它代码
*/
    //未知的adj
    static final int UNKNOWN_ADJ = 16;
    static final int CACHED_APP_MAX_ADJ = 15;
    static final int CACHED_APP_MIN_ADJ = 9;
    //B list of service ,和A list相比，对用户黏合度小1些
    static final int SERVICE_B_ADJ = 8;
    //用户前1次交互的进程
    static final int PREVIOUS_APP_ADJ = 7;
    //Launcher进程
    static final int HOME_APP_ADJ = 6;
    //运行了application service的进程
    static final int SERVICE_ADJ = 5;
    //重量级利用程序进程
    static final int HEAVY_WEIGHT_APP_ADJ = 4;
    //用于承载backup相干操作的进程
    static final int BACKUP_APP_ADJ = 3;
    //这类进程能被用户感觉到但不可见，如后台运行的音乐播放器
    static final int PERCEPTIBLE_APP_ADJ = 2;
    //有前台可见的Activity进程，如果轻易杀死这类进程，将严重影响用户体验
    static final int VISIBLE_APP_ADJ = 1;
    //当前正在运行的那个进程，即用户正在交互的程序
    static final int FOREGROUND_APP_ADJ = 0;
    static final int PERSISTENT_SERVICE_ADJ = -11;
    //persistent性质的进程，如telephony
    static final int PERSISTENT_PROC_ADJ = -12;
    //系统进程
    static final int SYSTEM_ADJ = -16;

/**
*省略其它代码
*/

上面定义的adj数值来看，adj越小表示进程类型就越重要，特别的，系统进程的默许oom_adj 为⑴6，这类进程永久不会被杀死。

还需要注意的是updateOomLevels函数，内部原理是通过写上面两个文件来实现，AMS 会根据系统确当前配置自动修正adj和minfree，以尽量适配不同的硬件。函数源码以下所示：

private void updateOomLevels(int displayWidth, int displayHeight, boolean write) {
        // Scale buckets from avail memory: at 300MB we use the lowest values to
        // 700MB or more for the top values.
        float scaleMem = ((float)(mTotalMemMb-300))/(700-300);

        // Scale buckets from screen size.
        int minSize = 480*800;  //  384000
        int maxSize = 1280*800; // 1024000  230400 870400  .264
        float scaleDisp = ((float)(displayWidth*displayHeight)-minSize)/(maxSize-minSize);
        if (false) {
            Slog.i("XXXXXX", "scaleMem=" + scaleMem);
            Slog.i("XXXXXX", "scaleDisp=" + scaleDisp + " dw=" + displayWidth
                    + " dh=" + displayHeight);
        }

        float scale = scaleMem > scaleDisp ? scaleMem : scaleDisp;
        if (scale < 0) scale = 0;
        else if (scale > 1) scale = 1;
        int minfree_adj = Resources.getSystem().getInteger(
                com.android.internal.R.integer.config_lowMemoryKillerMinFreeKbytesAdjust);
        int minfree_abs = Resources.getSystem().getInteger(
                com.android.internal.R.integer.config_lowMemoryKillerMinFreeKbytesAbsolute);
        if (false) {
            Slog.i("XXXXXX", "minfree_adj=" + minfree_adj + " minfree_abs=" + minfree_abs);
        }

        // We've now baked in the increase to the basic oom values above, since
        // they seem to be useful more generally for devices that are tight on
        // memory than just for 64 bit.  This should probably have some more
        // tuning done, so not deleting it quite yet...
        final boolean is64bit = false; //Build.SUPPORTED_64_BIT_ABIS.length > 0;

        for (int i=0; i<mOomAdj.length; i++) {
            int low = mOomMinFreeLow[i];
            int high = mOomMinFreeHigh[i];
            mOomMinFree[i] = (int)(low + ((high-low)*scale));
            if (is64bit) {
                // On 64 bit devices, we consume more baseline RAM, because 64 bit is cool!
                // To avoid being all pagey and stuff, scale up the memory levels to
                // give us some breathing room.
                mOomMinFree[i] = (3*mOomMinFree[i])/2;
            }
        }

        if (minfree_abs >= 0) {
            for (int i=0; i<mOomAdj.length; i++) {
                mOomMinFree[i] = (int)((float)minfree_abs * mOomMinFree[i]
                        / mOomMinFree[mOomAdj.length - 1]);
            }
        }

        if (minfree_adj != 0) {
            for (int i=0; i<mOomAdj.length; i++) {
                mOomMinFree[i] += (int)((float)minfree_adj * mOomMinFree[i]
                        / mOomMinFree[mOomAdj.length - 1]);
                if (mOomMinFree[i] < 0) {
                    mOomMinFree[i] = 0;
                }
            }
        }

        // The maximum size we will restore a process from cached to background, when under
        // memory duress, is 1/3 the size we have reserved for kernel caches and other overhead
        // before killing background processes.
        mCachedRestoreLevel = (getMemLevel(ProcessList.CACHED_APP_MAX_ADJ)/1024) / 3;

        // Ask the kernel to try to keep enough memory free to allocate 3 full
        // screen 32bpp buffers without entering direct reclaim.
        int reserve = displayWidth * displayHeight * 4 * 3 / 1024;
        int reserve_adj = Resources.getSystem().getInteger(com.android.internal.R.integer.config_extraFreeKbytesAdjust);
        int reserve_abs = Resources.getSystem().getInteger(com.android.internal.R.integer.config_extraFreeKbytesAbsolute);

        if (reserve_abs >= 0) {
            reserve = reserve_abs;
        }

        if (reserve_adj != 0) {
            reserve += reserve_adj;
            if (reserve < 0) {
                reserve = 0;
            }
        }

        if (write) {
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(4 * (2*mOomAdj.length + 1));
            buf.putInt(LMK_TARGET);
            for (int i=0; i<mOomAdj.length; i++) {
                buf.putInt((mOomMinFree[i]*1024)/PAGE_SIZE);
                buf.putInt(mOomAdj[i]);
            }

            writeLmkd(buf);
            SystemProperties.set("sys.sysctl.extra_free_kbytes", Integer.toString(reserve));
        }
        // GB: 2048,3072,4096,6144,7168,8192
        // HC: 8192,10240,12288,14336,16384,20480
    }

改变进程权重adj值

除系统的评定标准，我们也能够用自己的方式来改变进程的权重值。

1.写文件

和上述提到的adj和minfree类似，进程的oom_adj也能够通过写文件的情势来修改，路径为/proc/< PID >/oom_adj。比如init.rc中有以下语句

on early-init
 # Set init and its forked children's oom_adj.
 write /proc/1/oom_adj ⑴6

PID 为1的进程为init程序，将此进程的oom_adj 设置为⑴6，保证它不会被杀死。

2.设置android:persistent

对某些非常重要的程序，不希望它被系统杀死。在AndroidMainifest.xml文件中给application 标签添加”android:persistent=true”属性，将利用程序设置为常驻内存，但需要特别注意，如果利用程序本不够完善，而系统又不能正常回收，那末会致使意想不到的问题。

参考资料

《深入理解Android内核设计思想》

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