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嵌入式开发经验:Android系统的内存管理研究

2013-12-30 11:44
潇纵
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  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/ /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。

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