Android系統的內存管理研究

1　Android系統概述

Android是Google(谷歌)公司開發的一款專門為移動設備打造的操作系統。2005年谷歌公司收購Android Inc公司后，于2007年研發了基于Linux的操作系統Android。2008年，TMobile與HTC公司共同研發了第一款Android手機——HTC G1。Android的發展速度非常驚人，僅僅3年便超過了Symbian系統，并且有強大的OEM支持以及眾多的開發者。

Android基于Linux平臺，主要由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件組成。采用的是軟件堆棧的結構，操作系統的底層僅提供最基本的系統功能。在Android系統中，基本上使用的是標準的Linux2.6內核，但是Google為了讓Android更適合移動手持設備，對Linux內核進行了各種優化和增強。除了Linux的通用代碼外，主要包含體系結構和處理器、Android特定的驅動程序和標準的設備驅動程序3個方面的內容。Android對Linux內核的增強主要包括Alarm(硬件鬧鐘)、Ashmem(匿名內存共享)、Low Memory Killer(低內存管理)、Logger(日志管理)等。本文將集中分析Android的內存管理，因為Android系統是在Linux系統的基礎上發展起來的，所以在介紹Linux基本的內存管理的基礎上對Android的內存管理進行研究。

2　Linux內存管理

在內存管理方面，Linux系統新舊兩個版本(2.6之前和之后)之間有很大的不同。由于Android系統是基于Linux2.6.x內核的，本文主要介紹Linux2.6在內存管理方面的基本內容。

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置一個用于反向映射的鏈表，但是鏈表上的節點并不是引用了該物理頁面的所有頁表項，而是相應的虛擬內存區域(vm_area_struct結構)。虛擬內存區域通過內存描述符(mm_struct結構)找到頁全局目錄，從而找到相應的頁表項。相對于前一種方法來說，用于表示虛擬內存區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結構中與基于對象的反向映射相關的關鍵字段有兩個：_mapcount和mapping。基于對象的反向映射的實現如下：

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目，該計數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，該計數器加1。

字段mapping用于區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結構(用于匿名頁面)的指針;否則，該字段包含指向address_space結構的指針(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：一種是由“內存嚴重不足”事件觸發;另一種是由后臺進程kswapd觸發，該進程周期性地運行，一旦檢測到內存不足，就會觸發頁面回收操作。這里主要介紹shrink_zone()函數，此函數是Linux操作系統實現頁面回收的最核心的函數之一，它實現了對一個內存區域的頁面進行回收的功能。該函數主要做了兩件事：

① 將某些頁面從active鏈表移到inactive鏈表，這是由函數shrink_active_list()實現的;

② 從inactive鏈表中選定一定數目的頁面，將其放到一個臨時鏈表中，這由函數shrink_inactive_list()完成。

該函數最終會調用shrink_page_list()去回收這些頁面。

2.3　OOMKiller機制

OOM(Out of Memory)是標準Linux內核(kernel)的一種內存管理機制，當系統內存耗盡時，OOM會選擇性的殺掉一些進程以求釋放一些內存。

Linux在2.6.36內核中修正了OOMKiller的行為，跟之前的OOMKiller相比，主要體現在3個方面：第一，將物理內存頁面的使用作為基準而不是虛擬地址空間的大小;第二，導出用戶策略的控制權;第三，內核有了一個簡單而合理的默認策略。

Linux下有3種Overcommit的策略：0,啟發式策略;1，永遠允許Overcommit，這種策略適合那些不能承受內存分配失敗的應用;2，永遠禁止Overcommit，這種策略下系統所能分配的內存不會超過swap+RAM*系數。在Linux系統中，只要存在Overcommit，就可能會有OOMKiller跳出來。當OOMKiller跳出來的時候，期望它可以殺掉沒用的且耗內存多的程序，這就需要一個選擇目標的策略。Linux下這個選擇目標的策略也在隨著內核的改進不斷的演化。在Linux下每個進程都會有個OOM權重，在/proc//oom_adj中，取值是-17~+15，取值越高，越容易被殺掉。用戶可以通過設置這些值來影響OOMKiller作出決策。這個值是系統綜合進程的內存消耗量、CPU時間、存活時間和oom_adj計算出的，消耗內存越多分值就會越高。除此之外，Linux在計算進程的內存消耗的時候，會將子進程所耗內存的一半同時算到父進程中。

3　Android的低內存管理

Android是一個多任務系統，當啟動一個程序時會消耗一定的時間。為了加快運行速度，當退出一個程序時，Android并不會立即殺掉它，這樣當用戶重新運行該程序時，可以很快地啟動。但隨著系統中保留的程序越來越多，內存肯定會出現不足，此時就有了Android的低內存管理(Low Memory Killer)機制。

3.1　Low Memory Killer機制

Low Memory Killer是在標準Linux kernel的OOM基礎上修改而來的一種內存管理機制，基于oom_adj和占用內存的大小來選擇Bad進程。對應于每個oom_adj都有一個空閑內存的閾值，Android kernel每隔一段時間會檢查當前空閑內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，則殺死其中占用內存最多的進程。

3.2　Low Memory Killer的實現

Low Memory Killer是以內核驅動的形式實現的，該實現位于drivers/misc/lowmemorykiller.c中，通過注冊Cache Shrinker實現。Cache Shrinker是標準Linux kernel回收頁面的一種機制，它由內核線程kswapd監控，當空閑內存頁面不足時，kswapd會調用注冊的Shrinker回調函數，來回收內存頁面。lowmem_shrink是這個驅動的核心實現，當內存不足時就會調用lowmem_shrink方法來殺掉某些內存。lowmem_shrink用兩個數組作為選擇Bad進程的依據，定義如下：