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。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。

内存类型

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()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 标记的 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

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:内核交换守护进程和低内存终止守护进程。

内核交换守护进程

内核交换守护进程 (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。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。如果某个进程尝试处理已删除的干净页,则系统会将该页面从存储器复制到 RAM。此操作称为“请求分页”。

由存储器支持的干净页已删除

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,则该页面将从 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。

脏页被移至 zRAM 并进行压缩

图 3. 脏页被移至 zRAM 并进行压缩

低内存终止守护进程

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。

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:

Android 进程,高分在上

图 4. Android 进程,高分在上,低分在下

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 WLAN。

  • 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)。

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。

不同进程使用的页面

图 5. 不同进程使用的页面

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。

由两个应用共享的页面

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 3MB,则每个进程的 PSS 为 1MB)
  • 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。

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