Android系统的内存管理探究分析

1　Android系统概述
　　Android是Google（谷歌）公司开发的一款专门为移动设备打造的操作系统。2005年谷歌公司收购Android Inc公司后，于2007年研发了基于Linux的操作系统Android。2008年，TMobile与HTC公司共同研发了第一款Android手机——HTC G1。Android的发展速度非常惊人，仅仅3年便超过了Symbian系统，并且有强大的OEM支持以及众多的开发者。
　　Android基于Linux平台，主要由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成。采用的是软件堆栈的结构，操作系统的底层仅提供最基本的系统功能。在Android系统中，基本上使用的是标准的Linux2.6内核，但是Google为了让Android更适合移动手持设备，对Linux内核进行了各种优化和增强。除了Linux的通用代码外，主要包含体系结构和处理器、Android特定的驱动程序和标准的设备驱动程序3个方面的内容。Android对Linux内核的增强主要包括Alarm（硬件闹钟）、Ashmem（匿名内存共享）、Low Memory Killer（低内存管理）、Logger（日志管理）等。本文将集中分析Android的内存管理，因为Android系统是在Linux系统的基础上发展起来的，所以在介绍Linux基本的内存管理的基础上对Android的内存管理进行研究。
　　2　Linux内存管理
　　在内存管理方面，Linux系统新旧两个版本（2.6之前和之后）之间有很大的不同。由于Android系统是基于Linux2.6.x内核的，本文主要介绍Linux2.6在内存管理方面的基本内容。
　　2.1　反向映射机制
　　Linux2.6引入了基于对象的反向映射机制，这种方法为物理页面设置一个用于反向映射的链表，但是链表上的节点并不是引用了该物理页面的所有页表项，而是相应的虚拟内存区域（vm_area_struct结构）。虚拟内存区域通过内存描述符（mm_struct结构）找到页全局目录，从而找到相应的页表项。相对于前一种方法来说，用于表示虚拟内存区域的描述符比用于表示页面的描述符要少得多，所以遍历后边这种反向映射链表所消耗的时间也会少很多。
　　page结构中与基于对象的反向映射相关的关键字段有两个：_mapcount和mapping。基于对象的反向映射的实现如下：
　　struct page{
　　atomic_t_mapcount;
　　union{
　　……
　　struct{
　　……
　　struct address_space*mapping;
　　};
　　};
　　字段_mapcount表明共享该物理页面的页表项的数目，该计数器可用于快速检查该页面除所有者之外有多少使用者在使用，初始值是-1，每增加一个使用者，该计数器加1。
　　字段mapping用于区分匿名页面和基于文件映射的页面。如果该字段的最低位置被置位，那么该字段包含的是指向anon_vma结构（用于匿名页面）的指针；否则，该字段包含指向address_space结构的指针（用于基于文件映射的页面）。
　　2.2　Linux页面回收
　　Linux中页面回收主要通过两种方式触发：一种是由“内存严重不足”事件触发；另一种是由后台进程kswapd触发，该进程周期性地运行，一旦检测到内存不足，就会触发页面回收操作。这里主要介绍shrink_zone（）函数，此函数是Linux操作系统实现页面回收的最核心的函数之一，它实现了对一个内存区域的页面进行回收的功能。该函数主要做了两件事：
　　① 将某些页面从active链表移到inactive链表，这是由函数shrink_active_list（）实现的；
　　② 从inactive链表中选定一定数目的页面，将其放到一个临时链表中，这由函数shrink_inactive_list（）完成。
　　该函数最终会调用shrink_page_list（）去回收这些页面。
　　2.3　OOMKiller机制
　　OOM（Out of Memory）是标准Linux内核（kernel）的一种内存管理机制，当系统内存耗尽时，OOM会选择性的杀掉一些进程以求释放一些内存。
　　Linux在2.6.36内核中修正了OOMKiller的行为，跟之前的OOMKiller相比，主要体现在3个方面：第一，将物理内存页面的使用作为基准而不是虚拟地址空间的大小；第二，导出用户策略的控制权；第三，内核有了一个简单而合理的默认策略。
　　Linux下有3种Overcommit的策略：0，启发式策略；1，永远允许Overcommit，这种策略适合那些不能承受内存分配失败的应用；2，永远禁止Overcommit，这种策略下系统所能分配的内存不会超过swap+RAM*系数。在Linux系统中，只要存在Overcommit，就可能会有OOMKiller跳出来。当OOMKiller跳出来的时候，期望它可以杀掉没用的且耗内存多的程序，这就需要一个选择目标的策略。Linux下这个选择目标的策略也在随着内核的改进不断的演化。在Linux下每个进程都会有个OOM权重，在/proc/《pid》/oom_adj中，取值是-17~+15，取值越高，越容易被杀掉。用户可以通过设置这些值来影响OOMKiller作出决策。这个值是系统综合进程的内存消耗量、CPU时间、存活时间和oom_adj计算出的，消耗内存越多分值就会越高。除此之外，Linux在计算进程的内存消耗的时候，会将子进程所耗内存的一半同时算到父进程中。
　　3　Android的低内存管理
　　Android是一个多任务系统，当启动一个程序时会消耗一定的时间。为了加快运行速度，当退出一个程序时，Android并不会立即杀掉它，这样当用户重新运行该程序时，可以很快地启动。但随着系统中保留的程序越来越多，内存肯定会出现不足，此时就有了Android的低内存管理（Low Memory Killer）机制。
　　3.1　Low Memory Killer机制
　　Low Memory Killer是在标准Linux kernel的OOM基础上修改而来的一种内存管理机制，基于oom_adj和占用内存的大小来选择Bad进程。对应于每个oom_adj都有一个空闲内存的阈值，Android kernel每隔一段时间会检查当前空闲内存是否低于某个阈值。如果是，则杀死oom_adj最大的Bad进程。如有两个以上的Bad进程oom_adj相同，则杀死其中占用内存最多的进程。
　　3.2　Low Memory Killer的实现
　　Low Memory Killer是以内核驱动的形式实现的，该实现位于drivers/misc/lowmemorykiller.c中，通过注册Cache Shrinker实现。Cache Shrinker是标准Linux kernel回收页面的一种机制，它由内核线程kswapd监控，当空闲内存页面不足时，kswapd会调用注册的Shrinker回调函数，来回收内存页面。lowmem_shrink是这个驱动的核心实现，当内存不足时就会调用lowmem_shrink方法来杀掉某些内存。lowmem_shrink用两个数组作为选择Bad进程的依据，定义如下：
　　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保存空闲内存的阈值，单位是一个页面4 KB，lowmem_adj保存每个阈值对应的优先级。lowmem_shrink首先计算当前空闲内存的大小，如果小于某个阈值，则以该阈值对应的优先级为基准，遍历各个进程，计算每个进程占用内存的大小，找出优先级大于基准优先级的进程，在这些进程中选择优先级最大的杀死。如果优先级相同，则选择占用内存最多的进程。lowmem_shrink杀死进程的方法是向进程发送一个不可以忽略或阻塞的SIGKILL信号：force_sig（SIGKILL，selected）。