android 内存管理

android 内存管理

• 进程间的内存分配 | Android 开发者 | Android Developers

其他参考

• 内存管理概览

• 进程和应用生命周期

• 了解 Android 内存使用情况 - Google I/O 大会演讲

• Android 内存和游戏 - Google I/O 大会演讲

• 低内存终止守护程序 | Android 开源项目 | Android Open Source Project (google.cn)

内存相关测评参考

• How much RAM do I need in my phone in 2022? We have the answer. (androidauthority.com)
  • 内容:
    • How much RAM does your Android phone really need in 2022?
      • RAM vs swap space: Memory management explained
      • Testing to find the ideal amount of RAM
      • Galaxy S21 Ultra and Pixel 3XL tests
      • OnePlus 9 Pro test
      • So, how much RAM do you need on your Android phone?

进程间的内存分配

Android 平台在运行时不会浪费可用的内存。它会一直尝试利用所有可用内存。例如，系统会在应用关闭后将其保留在内存中，以便用户快速切回到这些应用。因此，通常情况下，Android 设备在运行时几乎没有可用的内存。若要在重要系统进程和许多用户应用之间正确分配内存，内存管理至关重要。

本页讨论了 Android 如何为系统和用户应用分配内存的基础知识，另外还说明了操作系统如何应对低内存情况。

内存类型

Android 设备包含三种不同类型的内存：RAM、zRAM 和存储器。请注意，CPU 和 GPU 访问同一个 RAM。

图 1. 内存类型 - RAM、zRAM 和存储器

• RAM 是最快的内存类型，但其大小通常有限。高端设备通常具有最大的 RAM 容量。
• zRAM 是用于交换空间的 RAM 分区。所有数据在放入 zRAM 时都会进行压缩，然后在从 zRAM 向外复制时进行解压缩。这部分 RAM 会随着页面进出 zRAM 而增大或缩小。设备制造商可以设置 zRAM 大小上限。
• 存储器中包含所有持久性数据（例如文件系统等），以及为所有应用、库和平台添加的对象代码。存储器比另外两种内存的容量大得多。在 Android 上，存储器不像在其他 Linux 实现上那样用于交换空间，因为频繁写入会导致这种内存出现损坏，并缩短存储媒介的使用寿命。

内存页面

• RAM 分为多个“页面”。通常，每个页面为 4KB 的内存。

• 系统会将RAM页面视为“可用”或“已使用”。

  • 可用页面是未使用的 RAM。

  • 已使用的页面是系统目前正在使用的 RAM，并分为以下类别：

    • 缓存页：有存储器中的文件（例如代码或内存映射文件）支持的内存。

      • 缓存内存有两种类型：
        • 私有页：由一个进程拥有且未共享
          • 干净页：存储器中未经修改的文件副本，可由 kswapd 删除以增加可用内存
          • 脏页：存储器中经过修改的文件副本；可由 kswapd 移动到 zRAM 或在 zRAM 中进行压缩以增加可用内存
        • 共享页：由多个进程使用
          • 干净页：存储器中未经修改的文件副本，可由 kswapd 删除以增加可用内存
          • 脏页：存储器中经过修改的文件副本；允许通过 kswapd 或者通过明确使用 msync() 或 munmap() 将更改写回存储器中的文件，以增加可用空间

    • 匿名页：没有存储器中的文件支持的内存（例如，由设置了 MAP_ANONYMOUS 标志的 mmap() 进行分配）

      • 脏页：可由 kswapd 移动到 zRAM/在 zRAM 中进行压缩以增加可用内存

Attention!

• 干净页包含存在于存储器中的文件（或文件一部分）的精确副本。

  • 如果干净页不再包含文件的精确副本（例如，因应用操作所致），则会变成脏页。

• 干净页可以删除，因为始终可以使用存储器中的数据重新生成它们；

• 脏页不能删除，否则数据将会丢失。

• 随着系统积极管理 RAM，可用和已使用页面的比例会不断变化。

• 本部分介绍的概念对于管理内存不足的情况至关重要。

• 本文档的下一部分将对这些概念进行更详细的说明。

内存不足管理

• Android 有两种处理内存不足情况的主要机制：
  • 内核交换守护进程
  • 低内存终止守护进程。

内核交换守护进程(Kswapd)

• 内核交换守护进程 (kswapd:The Kernel Swap Daemon (kswapd)) 是 Linux 内核的一部分，用于将已使用内存转换为可用内存。

• 当设备上的可用内存不足时，该守护进程将变为活动状态。

• Linux 内核设有可用内存上下限阈值(yùzhí)。

  • 当可用内存降至下限阈值以下时，kswapd 开始回收内存。
  • 当可用内存达到上限阈值时，kswapd 停止回收内存。

• kswapd 可以删除干净页来回收它们，因为这些页受到存储器的支持且未经修改。

请求分页(Kswapd)

• 如果某个进程尝试处理已删除的干净页，系统会将该页面从存储器复制到 RAM。

  • 此操作称为“请求分页”。

  • 

    • 图 2. 由存储器支持的干净页已删除

• kswapd 可以将缓存的私有脏页和匿名脏页移动到 zRAM 进行压缩。

  • 这样可以释放 RAM 中的可用内存（可用页面）。
  • 如果某个进程尝试处理 zRAM 中的脏页，该页将被解压缩并移回到 RAM。
  • 如果与压缩页面关联的进程被终止，该页面将从 zRAM 中删除。

• 如果可用内存量低于特定阈值，系统会开始终止进程。

  • 

  • 图 3. 脏页被移至 zRAM 并进行压缩

更多kswap的参考

• The Kernel Swap Daemon (kswapd) (unitn.it)
  • The Kernel Swap Daemon (kswapd)
  • The name swap daemon is a bit of a misnomer用词不当 as the daemon does more than just swap modified pages out to the swap file.
  • Its task is to keep the memory management system operating efficiently.
  • The Kernel swap daemon (kswapd kernel init process at startup time and sits waiting for the kernel swap timer to periodically expire. ) is started by the Every time the timer expires,
  • the swap daemon looks to see if the number of free pages in the system is getting too low.

低内存终止守护进程(LMK)

• 很多时候，kswapd 不能为系统释放足够的内存。
  • 在这种情况下，系统会使用 onTrimMemory() 通知应用内存不足，应该减少其分配量。
  • 如果这还不够，内核会开始终止进程以释放内存。
• 它会使用低内存终止守护进程 (LMK) 来执行此操作。

oom分值&进程的优先级

• LMK 使用一个名为 oom_adj_score 的“内存不足”分值来确定正在运行的进程的优先级，以此决定要终止的进程。
  • 最高得分的进程最先被终止。
  • 后台应用最先被终止，系统进程最后被终止。
  • 下表列出了从高到低的 LMK 评分类别。评分最高的类别，即第一行中的项目将最先被终止：

• 图 4. Android 进程，高分在上，低分在下

进程分类

以下是上表中各种类别的说明：

• 后台应用：之前运行过且当前不处于活动状态的应用。LMK 将首先从具有最高 oom_adj_score 的应用开始终止后台应用。
• 上一个应用：最近用过的后台应用。上一个应用比后台应用具有更高的优先级（得分更低），因为相比某个后台应用，用户更有可能切换到上一个应用。
• 主屏幕应用：这是启动器应用。终止该应用会使壁纸消失。
• 服务：服务由应用启动，可能包括同步或上传到云端。
• 可觉察的应用：用户可通过某种方式察觉到的非前台应用，例如运行一个显示小界面的搜索进程或听音乐。
• 前台应用：当前正在使用的应用。
  • 终止前台应用看起来就像是应用崩溃了，可能会向用户提示设备出了问题。
• 持久性（服务）：这些是设备的核心服务，例如电话和 Wi-Fi。
• 系统：系统进程。
  • 这些进程被终止后，手机可能看起来即将重新启动。
• 原生：系统使用的极低级别的进程（例如，kswapd）。

非默认的LMK行为

设备制造商可以更改 LMK 的行为。

计算内存占用量

• 内核会跟踪系统中的所有内存页面。

  • 

  • 图 5. 不同进程使用的页面

共享的内存页面

• 在确定应用使用的内存量时，系统必须考虑共享的页面。

  • 访问相同服务或库的应用将共享内存页面。
  • 例如，Google Play 服务和某个游戏应用可能会共享位置信息服务。
  • 这样便很难确定属于整个服务和每个应用的内存量分别是多少。

    • 

      • 图 6. 由两个应用共享的页面（中间）

• 如需确定应用的内存占用量，可以使用以下任一指标：

  • 常驻内存大小 (RSS)：应用使用的共享和非共享页面的数量

  • 按比例分摊的内存大小 (PSS)：应用使用的非共享页面的数量加上共享页面的均匀分摊数量

    • （例如，如果三个进程共享 3 MB，每个进程的 PSS 为 1 MB）

  • 独占内存大小 (USS)：应用使用的非共享页面数量（不包括共享页面）

• 如果操作系统想要知道所有进程使用了多少内存，那么 PSS 非常有用，因为页面只会统计一次。

  • 计算 PSS 需要花很长时间，因为系统需要确定共享的页面以及共享页面的进程数量。
  • RSS 不区分共享和非共享页面（因此计算起来更快），更适合跟踪内存分配量的变化

Cgroup 抽象层

• Android 10 及更高版本将对照组 (cgroup(ControlGroup)) 抽象层和任务配置文件搭配使用，让开发者能够使用它们来描述应用于某个线程或进程的一组（或多组）限制。
• 然后，系统按照任务配置文件的规定操作来选择一个或多个适当的 cgroup；通过这种方式，系统可以应用各种限制，并对底层 cgroup 功能集进行更改，而不会影响较高的软件层。

cgroup 简介

cgroup 提供一种机制，可将任务集（包括进程、线程及其所有未来的子级）聚合并分区到具有专门行为的层级组中。Android 使用 cgroup 控制及考量 CPU 和内存等系统资源的使用和分配情况，并支持 Linux 内核 cgroup v1 和 cgroup v2。

目前的低内存终止守护程序lmkd

• Android 低内存终止守护程序 (lmkd) 进程可监控运行中的 Android 系统的内存状态，并通过终止最不必要的进程来应对内存压力大的问题，使系统以可接受的性能水平运行。

内存压力简介

• 并行运行多个进程的 Android 系统可能会遇到系统内存耗尽，需要更多内存的进程出现明显延迟的情况。
  • 内存压力是系统内存不足的一种状态，它需要 Android 通过限制或终止不必要的进程、请求进程释放非关键缓存资源等方式来释放内存（以缓解这种压力）。
  • 过去，Android 使用内核中的低内存终止守护程序 (LMK) 驱动程序来监控系统内存压力，该驱动程序是一种依赖于硬编码值的严格机制。
  • 从内核 4.12 开始，LMK 驱动程序已从上游内核中移除，改由用户空间 lmkd 来执行内存监控和进程终止任务。

压力失速信息PSI(Pressure Speed Information)

• Android 10 及更高版本支持新的 lmkd 模式，它使用内核压力失速信息 (PSI) 监视器来检测内存压力。
  • 上游内核中的 PSI 补丁程序集（已向后移植到 4.9 和 4.14 内核）可测量由于内存不足导致任务延迟的时间。
  • 由于这些延迟会直接影响用户体验，因此它们代表了确定内存压力严重性的便捷指标。
  • 上游内核还包括 PSI 监视器，这类监视器允许特权用户空间进程（例如 lmkd）指定这些延迟的阈值，并在突破阈值时从内核订阅事件。

PSI 监视器与 vmpressure 信号

• 由于 vmpressure 信号（由内核生成，用于检测内存压力并由 lmkd 使用）通常包含大量误报，
  • 因此 lmkd 必须执行过滤以确定是否真的存在内存压力。
  • 这会导致不必要的 lmkd 唤醒并使用额外的计算资源。
• 使用 PSI 监视器可以实现更精确的内存压力检测，并最大限度地减少过滤开销。

使用 PSI 监视器

• 如需使用 PSI 监视器（而不是 vmpressure 事件），请配置 ro.lmk.use_psi 属性。
  • 默认值为 true，这会以 PSI 监视器作为 lmkd 内存压力检测的默认机制。
  • 由于 PSI 监视器需要内核支持，因此内核必须包含 PSI 向后移植补丁程序，并在启用 PSI 支持 (CONFIG_PSI=y) 的情况下进行编译。

内核中 LMK 驱动程序的缺点

由于存在大量问题，Android 弃用了 LMK 驱动程序，问题包括：

• 对于低内存设备，必须主动进行调整，即便如此，在处理涉及支持大文件的活跃页面缓存的工作负载时，其性能也较差。性能不良会导致出现抖动，但不会终止。
• LMK 内核驱动程序依赖于可用内存限制，不会根据内存压力进行扩缩。
• 由于设计的严格性，合作伙伴通常会自定义该驱动程序，使其可以在自己的设备上使用。
• LMK 驱动程序已挂接到 Slab Shrinker API，该 API 并非为了执行繁重操作（例如搜索并终止目标）而设计，这类操作会导致 vmscan 进程变慢。

用户空间 lmkd

• 用户空间 lmkd 可实现与内核中的驱动程序相同的功能，但它使用现有的内核机制检测和评估内存压力。
• 这些机制包括使用内核生成的 vmpressure 事件或压力失速信息 (PSI) 监视器来获取关于内存压力水平的通知，以及使用内存 cgroup 功能限制根据进程的重要性分配给每个进程的内存资源。

AOSP文档中的其他细节

在 Android 10 中使用用户空间 lmkd

• 在 Android 9 及更高版本中，用户空间 lmkd 会在未检测到内核中的 LMK 驱动程序时激活。
• 由于用户空间 lmkd 要求内核支持内存 cgroup，因此必须使用以下配置设置编译内核：

CONFIG_ANDROID_LOW_MEMORY_KILLER=n
CONFIG_MEMCG=y
CONFIG_MEMCG_SWAP=y

终止策略

• 用户空间 lmkd 支持基于以下各项的终止策略：

  • vmpressure 事件或 PSI 监视器、其严重性以及交换利用率等其他提示。

• 低内存设备和高性能设备的终止策略有所不同：

  • 对于内存不足的设备，一般情况下，系统会选择承受较大的内存压力。

  • 对于高性能设备，如果出现内存压力，则会视为异常情况，应及时修复，以免影响整体性能。

• 您可以使用 ro.config.low_ram 属性配置终止策略。如需了解详情，请参阅低 RAM 配置。

• 用户空间 lmkd 还支持一种旧模式，在该模式下，它使用与内核中的 LMK 驱动程序相同的策略（即可用内存和文件缓存阈值）做出终止决策。要启用旧模式，请将 ro.lmk.use_minfree_levels 属性设置为 true。

配置 lmkd

使用以下属性为特定设备配置 lmkd。

注意：mem_pressure = 内存使用量/RAM_and_swap 使用量（以百分比的形式表示）。

设备配置示例：

PRODUCT_PROPERTY_OVERRIDES += \
    ro.lmk.low=1001 \
    ro.lmk.medium=800 \
    ro.lmk.critical=0 \
    ro.lmk.critical_upgrade=false \
    ro.lmk.upgrade_pressure=100 \
    ro.lmk.downgrade_pressure=100 \
    ro.lmk.kill_heaviest_task=true

Android 11 中的用户空间 lmkd

• Android 11 通过引入新的终止策略改进了 lmkd。
• 该终止策略使用 PSI 机制来执行 Android 10 中引入的内存压力检测。
• Android 11 中的 lmkd 会根据内存资源使用情况和抖动来防止出现内存不足和性能下降。
• 这一终止策略取代了以前的策略，可同时用于高性能设备和低内存 (Android Go) 设备。

内核要求

对于 Android 11 设备，lmkd 需要以下内核功能：

• 添加 PSI 补丁程序并启用 PSI（Android 通用内核 4.9、4.14 和 4.19 中提供向后移植）。
• 添加 PIDFD 支持补丁程序（Android 通用内核 4.9、4.14 和 4.19 中提供向后移植）。
• 对于低内存设备，添加内存 cgroup。

必须使用以下配置设置编译内核：

CONFIG_PSI=y

在 Android 11 中配置 lmkd

Android 11 中的内存终止策略支持下面列出的调节旋钮和默认值。这些功能在高性能设备和低内存设备上都可使用。

以下旧的调节旋钮也可用于新的终止策略。