android 内存管理

文章目录

• ​​android 内存管理​​

• ​​其他参考​​

• ​​内存相关测评参考​​

• ​​进程间的内存分配​​

• ​​内存类型​​
• ​​内存页面​​

• ​​Attention!​​

• ​​内存不足管理​​

• ​​内核交换守护进程(Kswapd)​​
• ​​请求分页(Kswapd)​​

• ​​更多kswap的参考​​

• ​​低内存终止守护进程(LMK)​​

• ​​oom分值&进程的优先级​​

• ​​进程分类​​

• ​​非默认的LMK行为​​

• ​​计算内存占用量​​

• ​​共享的内存页面​​

• ​​Cgroup 抽象层​​

• ​​cgroup 简介​​

• ​​目前的低内存终止守护程序lmkd​​

• ​​内存压力简介​​
• ​​压力失速信息PSI(Pressure Speed Information)​​

• ​​PSI 监视器与 vmpressure 信号​​
• ​​使用 PSI 监视器​​

• ​​内核中 LMK 驱动程序的缺点​​
• ​​用户空间 lmkd​​
• ​​AOSP文档中的其他细节​​

• ​​在 Android 10 中使用用户空间 lmkd​​

• ​​终止策略​​
• ​​配置 lmkd​​

• ​​Android 11 中的用户空间 lmkd​​

• ​​内核要求​​
• ​​在 Android 11 中配置 lmkd​​

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 nameswap daemonis 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 (kswapdkernel 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。