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——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(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(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(yán)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：
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機制
OOM(Out of Memory)是標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核(kernel)的一種內(nèi)存管理機制，當(dāng)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(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)核的改進不斷的演化。在Linux下每個進程都會有個OOM權(quán)重，在/proc/
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)機制。
3.1 Low Memory Killer機制
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(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(biāo)準(zhǔn)Linux kernel回收頁面的一種機制，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(zhǔn)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)。
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)存管理機制退出優(yōu)先級較低的進程。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，應(yīng)用程序和Ams運行在兩個獨立的虛擬機中，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進程，該進程啟動時會首先在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進程，然后這些OOM Killer就可以根據(jù)各種規(guī)則進行內(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)存管理機制主要是針對進程的優(yōu)先級和內(nèi)存占用情況來對進程進行管理的，所以對內(nèi)存管理的優(yōu)化也主要體現(xiàn)在對進程閾值的設(shè)定上。
4.1 Android進程
Android根據(jù)進程的重要性，將進程分為以下幾類：
① FOREGROUD_APP(前臺進程)，用戶正在使用的進程和一些系統(tǒng)進程。
② VISIBLE_APP(可見的進程)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(后臺進程)是被切換到后臺的進程，后臺進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(空進程)既不提供服務(wù)，也不提供內(nèi)容。當(dāng)進程退出時，系統(tǒng)會自動為其保留一個空進程，目的也是為了保證程序再次啟動的速度。
以上每個進程都會有個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)還會維護另外一張表，進程優(yōu)先級及閾值對應(yīng)關(guān)系如表1所列。
表1 進程優(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行某些設(shè)置，從而手動地參與內(nèi)存管理。對進程的優(yōu)化主要設(shè)置6類進程的閾值，系統(tǒng)閾值存在的問題包括：第一，各類進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)致多種類型的進程同時被關(guān)閉;第二，閾值上限較低，一般手機啟動后，可用內(nèi)存在50~100 MB左右，但隨著手機的使用，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：拉開各進程的閾值層次，使得進程管理機制能更有效地工作;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;前臺進程、可見進程和次要服務(wù)是與用戶體驗息息相關(guān)的內(nèi)容，這部分的進程管理策略要相對保守，給這些進程留下足夠的運行空間;壓榨無用進程，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程、內(nèi)容供應(yīng)節(jié)點和空進程，將內(nèi)存盡可能地留給前臺進程和系統(tǒng)程序，進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程、內(nèi)容供應(yīng)節(jié)點和空進程的閾值，這樣當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存小于100 MB時就可以最先殺死空進程，然后根據(jù)內(nèi)存情況，進而殺死后臺進程和內(nèi)容供應(yīng)節(jié)點。如此，就為前臺進程和系統(tǒng)進程留下了足夠的內(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)存管理機制可以合理地對每個進程進行管理，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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