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(dòng)設(shè)備打造的操作系統(tǒng),。2005年谷歌公司收購(gòu)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(guò)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(tái),，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(dòng)手持設(shè)備,，對(duì)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(dòng)程序和標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序3個(gè)方面的內(nèi)容,。Android對(duì)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(lái)的,，所以在介紹Linux基本的內(nèi)存管理的基礎(chǔ)上對(duì)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(duì)象的反向映射機(jī)制,，這種方法為物理頁(yè)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(yè)面的所有頁(yè)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(guò)內(nèi)存描述符(mm_struct結(jié)構(gòu))找到頁(yè)全局目錄,，從而找到相應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)。相對(duì)于前一種方法來(lái)說(shuō),，用于表示虛擬內(nèi)存區(qū)域的描述符比用于表示頁(yè)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(huì)少很多。

page結(jié)構(gòu)中與基于對(duì)象的反向映射相關(guān)的關(guān)鍵字段有兩個(gè)：_mapcount和mapping,?；趯?duì)象的反向映射的實(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(yè)面的頁(yè)表項(xiàng)的數(shù)目，該計(jì)數(shù)器可用于快速檢查該頁(yè)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(yè)面和基于文件映射的頁(yè)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(yè)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(yè)面),。

2.2　Linux頁(yè)面回收

Linux中頁(yè)面回收主要通過(guò)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(tái)進(jìn)程kswapd觸發(fā)，該進(jìn)程周期性地運(yùn)行,，一旦檢測(cè)到內(nèi)存不足,，就會(huì)觸發(fā)頁(yè)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(yè)面回收的最核心的函數(shù)之一,，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)一個(gè)內(nèi)存區(qū)域的頁(yè)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(yè)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(yè)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(huì)調(diào)用shrink_page_list()去回收這些頁(yè)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(huì)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(yè)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(jiǎn)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(huì)超過(guò)swap+RAM*系數(shù)。在Linux系統(tǒng)中,，只要存在Overcommit,，就可能會(huì)有OOMKiller跳出來(lái)。當(dāng)OOMKiller跳出來(lái)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(huì)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(guò)設(shè)置這些值來(lái)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(huì)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(huì)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(dòng)一個(gè)程序時(shí)會(huì)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(huì)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(dòng),。但隨著系統(tǒng)中保留的程序越來(lái)越多,，內(nèi)存肯定會(huì)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(lái)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(lái)選擇Bad進(jìn)程,。對(duì)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(huì)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(dòng)的形式實(shí)現(xiàn)的，該實(shí)現(xiàn)位于drivers/misc/lowmemorykiller.c中,，通過(guò)注冊(cè)Cache Shrinker實(shí)現(xiàn),。Cache Shrinker是標(biāo)準(zhǔn)Linux kernel回收頁(yè)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(yè)面不足時(shí),，kswapd會(huì)調(diào)用注冊(cè)的Shrinker回調(diào)函數(shù)，來(lái)回收內(nèi)存頁(yè)面,。lowmem_shrink是這個(gè)驅(qū)動(dòng)的核心實(shí)現(xiàn),，當(dāng)內(nèi)存不足時(shí)就會(huì)調(diào)用lowmem_shrink方法來(lái)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(yè)面4 KB，lowmem_adj保存每個(gè)閾值對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí),。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(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)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(jí)大于基準(zhǔn)優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程,，在這些進(jìn)程中選擇優(yōu)先級(jí)最大的殺死,。如果優(yōu)先級(jí)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(hào)：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(tái)對(duì)應(yīng)的進(jìn)程并沒有真正退出,，以便下次再啟動(dòng)時(shí)能夠快速啟動(dòng);第二部分是當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存不夠時(shí),，Ams會(huì)主動(dòng)根據(jù)內(nèi)存管理機(jī)制退出優(yōu)先級(jí)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(huì)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(dòng)時(shí)會(huì)首先在Linux內(nèi)核中把自己注冊(cè)為一個(gè)OOM Killer，即當(dāng)Linux內(nèi)核的內(nèi)存管理模塊檢測(cè)到系統(tǒng)內(nèi)存低的時(shí)候就會(huì)通知已經(jīng)注冊(cè)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(jí),，強(qiáng)制退出優(yōu)先級(jí)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(duì)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)和內(nèi)存占用情況來(lái)對(duì)進(jìn)程進(jìn)行管理的,，所以對(duì)內(nèi)存管理的優(yōu)化也主要體現(xiàn)在對(duì)進(jìn)程閾值的設(shè)定上,。

4.1　Android進(jìn)程

Android根據(jù)進(jìn)程的重要性，將進(jìn)程分為以下幾類：

① FOREGROUD_APP(前臺(tái)進(jìn)程),，用戶正在使用的進(jìn)程和一些系統(tǒng)進(jìn)程,。

② VISIBLE_APP(可見的進(jìn)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(gè)屏幕,，只有屏幕的一部分,。

③ SECONDARY_SERVER(后臺(tái)進(jìn)程)是被切換到后臺(tái)的進(jìn)程，后臺(tái)進(jìn)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(tái)程序，這樣可以很好地提高再次啟動(dòng)的速度,。

④ HIDDEN_APP(隱藏的程序)是用戶看不見但是還在運(yùn)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(diǎn))沒有程序?qū)嶓w,，僅提供內(nèi)容供別的進(jìn)程使用,，比如日歷供應(yīng)節(jié)點(diǎn)、郵件供應(yīng)節(jié)點(diǎn)等,。

⑥ EMPTY_APP(空進(jìn)程)既不提供服務(wù),，也不提供內(nèi)容。當(dāng)進(jìn)程退出時(shí),，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)為其保留一個(gè)空進(jìn)程,，目的也是為了保證程序再次啟動(dòng)的速度。

以上每個(gè)進(jìn)程都會(huì)有個(gè)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(huì)維護(hù)另外一張表，進(jìn)程優(yōu)先級(jí)及閾值對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所列,。

表1　進(jìn)程優(yōu)先級(jí)及閾值對(duì)應(yīng)關(guān)系

這個(gè)表定義了一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系,，每個(gè)警戒值對(duì)應(yīng)了一個(gè)重要性值，當(dāng)系統(tǒng)的可用內(nèi)存低于某個(gè)警戒值時(shí),，就殺掉所有大于該警戒值對(duì)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(jī)制基本上可以滿足普通用戶的需求，但是針對(duì)于某些特定用戶就需要對(duì)特定程序進(jìn)行某些設(shè)置,，從而手動(dòng)地參與內(nèi)存管理,。對(duì)進(jìn)程的優(yōu)化主要設(shè)置6類進(jìn)程的閾值，系統(tǒng)閾值存在的問(wèn)題包括：第一,，各類進(jìn)程管理策略的閾值相當(dāng)接近,，在實(shí)際程序運(yùn)行中，很容易導(dǎo)致多種類型的進(jìn)程同時(shí)被關(guān)閉;第二,，閾值上限較低,，一般手機(jī)啟動(dòng)后，可用內(nèi)存在50~100 MB左右,，但隨著手機(jī)的使用,，內(nèi)存會(huì)逐漸減小，最后降低到24 MB左右,，但24 MB相對(duì)較低,，會(huì)降低系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

優(yōu)化原則：拉開各進(jìn)程的閾值層次,，使得進(jìn)程管理機(jī)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(yùn)行速度;前臺(tái)進(jìn)程,、可見進(jìn)程和次要服務(wù)是與用戶體驗(yàn)息息相關(guān)的內(nèi)容,，這部分的進(jìn)程管理策略要相對(duì)保守，給這些進(jìn)程留下足夠的運(yùn)行空間;壓榨無(wú)用進(jìn)程,，騰出內(nèi)存空間給主要程序使用,。

4.3　內(nèi)存測(cè)試

本文以O(shè)K6410開發(fā)板為例，對(duì)內(nèi)存優(yōu)化進(jìn)行測(cè)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(cè)試程序?qū)ο到y(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試評(píng)分,，在系統(tǒng)默認(rèn)配置情況下優(yōu)化前的內(nèi)存測(cè)評(píng)如圖2所示,。

圖2　優(yōu)化前的內(nèi)存測(cè)評(píng)

圖3　優(yōu)化內(nèi)存分配(MB)

針對(duì)某些特定需求，以游戲玩家為例,，此時(shí)只需要游戲運(yùn)行有足夠的內(nèi)存空間,，而對(duì)多任務(wù)的需求不高。因此,，可以盡量壓榨后臺(tái)進(jìn)程,、內(nèi)容供應(yīng)節(jié)點(diǎn)和空進(jìn)程，將內(nèi)存盡可能地留給前臺(tái)進(jìn)程和系統(tǒng)程序,，進(jìn)而提升游戲運(yùn)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(tái)進(jìn)程,、內(nèi)容供應(yīng)節(jié)點(diǎn)和空進(jìn)程的閾值,，這樣當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存小于100 MB時(shí)就可以最先殺死空進(jìn)程，然后根據(jù)內(nèi)存情況,，進(jìn)而殺死后臺(tái)進(jìn)程和內(nèi)容供應(yīng)節(jié)點(diǎn),。如此，就為前臺(tái)進(jìn)程和系統(tǒng)進(jìn)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(cè)評(píng)如圖4所示。

圖4　優(yōu)化后測(cè)評(píng)分?jǐn)?shù)

通過(guò)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(yǔ)

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(dòng)設(shè)備提供了很好的支持,。其本身的內(nèi)存管理機(jī)制可以合理地對(duì)每個(gè)進(jìn)程進(jìn)行管理，用戶可以根據(jù)自己的需求通過(guò)對(duì)各個(gè)級(jí)別的優(yōu)先級(jí)及閾值的改變參與到系統(tǒng)內(nèi)存的管理中來(lái),。