kswapd 和 lmkd 交互

本页面介绍了 Android 上 kswapd 和 lmkd 之间的交互，展示了它们如何协同管理内存压力。

背景

当系统内存不足时，Android 会使用两种主要机制来回收内存：

1. kswapd：一个标准的 Linux 内核守护程序，通过逐出干净的文件支持页面或将匿名页面交换到 ZRAM 来回收页面。
2. lmkd：Android 的用户空间低内存终止守护程序。当 kswapd 无法满足内存需求且系统压力增加（由 PSI 发出信号）时，lmkd 会介入终止进程，以释放更大的内存块。

kswapd 和 lmkd 是两个互补的内存回收系统。它们致力于实现相同的目标（创建可用内存），但采用不同的方式。比较和对比：

• 可恢复与破坏性：kswapd 会丢弃可从存储空间中读回的内存页，或将内存页交换到其他内存分区或可按需读回的存储空间。lmkd 会终止进程，从而销毁非易失性状态。
• 回收带宽：与 lmkd 相比，kswapd 需要消耗更多 CPU 才能回收给定数量的可用内存，并且回收这些内存所需的时间也更长。lmkd 可以在短时间内以相对较少的努力回收大量内存。请注意，在移动设备上，CPU 耗费不仅会转化为延迟时间，还会转化为电池电量。

OOM 得分区间

Android 会根据进程对用户的重要性，为进程分配内存不足 (OOM) 分数调整值 (oom_score_adj)。得分较高的进程会先被终止。

常见存储桶包括：

• 缓存（得分 >= 900）：当前不需要的进程，保留这些进程是为了加快重启速度。
• 服务（得分 500）：托管已启动服务的进程。
• 前台服务（得分 200）：托管前台服务的进程。
• 前台（得分 0）：用户当前正在与之互动的应用。

深入探究：PSI 和 LMKD 触发

什么是 PSI？

压力失速信息 (PSI) 是一项 Linux 内核功能，提供了一种衡量资源短缺的标准方法。它会跟踪任务因 CPU、内存和 I/O 短缺而延迟的时间。

内存 PSI：“部分”与“完全”

内存 PSI 专门跟踪由内存不足引起的延迟（例如，等待页面回收或重新故障）。它提供两个指标：

• some：至少有一个任务因内存而停滞的时间百分比。这表明内存不足正在影响性能，但某些工作仍在进行中。
• full：所有非空闲任务同时停滞的时间百分比。这表示系统处于完全阻塞状态，正在等待内存。

PSI 如何触发 LMKD

用户空间 lmkd 守护程序会向内核注册，以便在超出 PSI 阈值时接收通知（通过监控 /proc/pressure/memory）。当系统遇到高内存压力（例如，full 停滞时间超过配置的时长）时，内核会唤醒 lmkd。然后，lmkd 会评估系统状态，并根据进程的 OOM 得分和大小决定是否终止进程以及终止哪些进程。

LMKD 调优

您可以使用系统属性来调整 LMKD 行为。

在设备上查找调优值

您可以通过运行以下命令，在已连接的设备上找到当前的 LMKD 调优值：

adb shell getprop | grep lmk

常见 LMKD 属性

以下是用于调整 LMKD 的一些关键属性（如需查看完整列表，请参阅 Android 文档）：

• ro.lmk.use_psi：设置为 true，以使用 PSI 监控器进行内存压力检测（在 Android 10 及更高版本中默认启用）。
• ro.lmk.psi_partial_stall_ms：some（部分）卡顿持续时间（以毫秒为单位）的阈值，用于触发终止（在普通设备上默认为 70 毫秒，在低内存设备上默认为 200 毫秒）。
• ro.lmk.psi_complete_stall_ms：触发终止操作的 full 停滞时长阈值（以毫秒为单位，默认值为 700 毫秒）。
• ro.lmk.kill_heaviest_task：如果为 true，LMKD 会终止同一 OOM 存储分区中候选进程中占用内存最多的进程。

测试设备 (Google Pixel 8 Pro) 上的相关调优值

（注意：搭载 Android 15 的高端设备的典型默认值）

• ro.lmk.use_psi：true
• ro.lmk.psi_partial_stall_ms：70（典型值）
• ro.lmk.psi_complete_stall_ms：700（典型值）
• ro.lmk.kill_heaviest_task：true

ZRAM 和交换区验证

ZRAM 容量会严重影响交换空间填满和触发 LMKD 终止的速度。 您可以使用以下命令查看设备上的 ZRAM 和交换状态：

# Check ZRAM sizing and usage
adb shell free -m

# Check swap partition details
adb shell cat /proc/swaps

实践练习：触发 kswapd 和 lmkd

在本练习中，您将使用 KswapdLmkdLab 示例应用在不同的 OOM 存储桶中创建进程，然后在主进程中消耗内存以触发 kswapd 和 lmkd。

该应用配置为自动生成子进程并分配内存，使其成为 LMKD 的目标。

1. 创建子进程

应用在启动时会自动生成以下子进程：

• 缓存的进程 (oom_score_adj >= 900)
• 服务进程 (oom_score_adj 500)
• 前台服务进程 (oom_score_adj 200)

使用 ADB 验证进程及其 OOM 分数：

adb shell dumpsys activity processes | grep com.android.kswapdlmkdlab

示例输出代码段：

    Proc #  0: fg       T/A/TOP  LCMNFUATI  t: 0 18959:com.android.kswapdlmkdlab/u0a358 (top-activity)
    Proc #  1: prcp     b/ /FGS  -------TI  t: 0 19050:com.android.kswapdlmkdlab:foreground/u0a358 (fg-service)
    Proc #  2: svc      b/ /SVC  -------TI  t: 0 19077:com.android.kswapdlmkdlab:service/u0a358 (started-services)
    Proc #  3: cch      b/ /CACC -------TI  t: 0 19014:com.android.kswapdlmkdlab:cached/u0a358 (cch-client-act)

进程状态缩写对应于：

• fg：前台（OOM 得分为 0）
• prcp：可感知（前台服务，OOM 得分 200）
• svc：已启动的服务（OOM 得分 500）
• cch：缓存的进程（OOM 得分为 900）

2. 触发内存压力

该应用将自动开始在主进程中分配内存。为了使测试在高 RAM 设备上有效，该应用还会命令子进程分配内存（例如，每个子进程分配 500MB），使其成为 LMKD 的更佳目标。

监控子进程终止

该应用使用 IBinder.linkToDeath 机制监控这些子进程的终止：

1. 主进程使用 bindService 绑定到目标进程中的服务。
2. 连接后，它会获取表示服务的 IBinder 对象。
3. 它通过在 binder 上调用 linkToDeath 来注册 IBinder.DeathRecipient 实现。
4. 当目标进程终止时（例如，被 LMKD 终止），系统会调用 binderDied() 方法，以便应用异步记录终止事件。

为防止此绑定提升目标进程的优先级（这会违背练习的目的），应用使用了 Context.BIND_WAIVE_PRIORITY 标志。

示例应用实际运行

以下是应用在 Google Pixel 8 Pro（总 RAM 约为 12 GB）上完成测试运行后的屏幕截图。

图 1. 在 Pixel 8 Pro 上完成测试运行后的示例应用。

注意： 读者在不同设备上可能会得到不同的结果，具体取决于 RAM 总大小和内存管理调整参数（例如 PSI 阈值和 OOM 分数）。

Perfetto 跟踪记录分析

如需捕获互动，请使用以下 Perfetto 配置来捕获调度、内存计数器、LMK 终止和压力失速信息 (PSI)。

Perfetto 配置

通过运行 Perfetto 并启用调度、内存计数器、LMK 终止和压力失速信息 (PSI) 来捕获交互：

adb shell perfetto -c - --txt -o /data/misc/perfetto-traces/kswapd_lmkd.perfetto-trace <<EOF
buffers: { size_kb: 131072 }
data_sources: {
    config {
        name: "linux.ftrace"
        ftrace_config {
            ftrace_events: "lowmemorykiller/lowmemory_kill"
            ftrace_events: "vmscan/mm_vmscan_kswapd_wake"
            ftrace_events: "vmscan/mm_vmscan_kswapd_sleep"
            ftrace_events: "psi/psi_event"
        }
    }
}
duration_ms: 180000
EOF

注意： 跟踪记录将运行 3 分钟，以便应用有足够的时间在高 RAM 设备上耗尽足够的内存。您可以修改跟踪配置，以更改跟踪时长。

查看跟踪记录

以下屏幕截图取自一个跟踪记录，显示了从 :cached（最可终止）进程被终止前不久到 :foreground（最不可终止）进程被终止的时间段。

图 2. Perfetto 跟踪记录显示 kswapd 回收和 lmkd 终止。

您可以看到，MemFree 已经相当低，并且持续面临压力。 kswapd 会持续运行，并通过从所有 kswapdlmkdlab 进程（主进程和子进程）以及可能未在此屏幕截图中显示的其他进程中丢弃 mem.rss.file 页面并将 mem.rss.anon 移至 mem.swap 来缓解压力。与此同时，kswapdlmkdlab 应用会继续分配内存，导致内存压力增加的速度快于 kswapd 回收内存的速度。

当压力过高时（如 psi.mem 在足够长的时间内保持高位），lmkd 会唤醒并终止一些进程。您可以看到，lmkd 会遵循 OOM 分数，先终止 kswapdlmkdlab:cached，然后终止 :service，最后终止 :foreground。

查看事件时间轴，并思考以下问题：

• kswapd 和 lmkd 如何相辅相成：kswapd 会首先响应内存压力，但当 kswapd 的回收带宽无法满足分配需求时，lmkd 会提供帮助。
• 内存释放速率：观察在 kswapd 中花费的 CPU 时间，以及通过丢弃 mem.rss.file 或将 mem.rss.anon 交换到 mem.swap 来回收的内存。将此与 lmkd 中导致大量进程私有内存被释放的短时间活动进行比较。

查询

在 Perfetto 界面（查询 SQL）中运行这些查询，以从跟踪记录中提取数据。

1. kswapd 活动

如需查找内核的交换守护程序何时处于活跃状态并正在运行，请执行以下命令：

SELECT ts, dur, state
FROM thread_state
JOIN thread USING (utid)
WHERE thread.name LIKE 'kswapd%'
  AND state = 'Running'
LIMIT 5;

示例输出：

ts	dur	state
30317633052969	159180	正在运行
30317633398347	3999186	正在运行
30317638448111	1847941	正在运行
30317641455354	1031006	正在运行
30317643272615	888387	正在运行

2. LMKD 终止

LMKD 会将低内存终止事件写入 instant 表。如需查询所有 LMKD 终止事件，请运行以下命令：

SELECT ts, name
FROM instant
WHERE name LIKE 'lmk,%'
ORDER BY ts ASC;

事件名称格式为：lmk,<pid>,<kill_reason>,<oom_score_adj>,<min_oom_score>,<max_thrashing>。

• kill_reason：一个整数，表示 lmkd 决定终止进程的原因（在 system/memory/lmkd/statslog.h 中定义）：
  • 0：PRESSURE_AFTER_KILL
  • 1：NOT_RESPONDING
  • 2：LOW_SWAP_AND_THRASHING（ZRAM 交换空间极低，并且发生了抖动）
  • 3：LOW_MEM_AND_SWAP（系统的可用内存和 ZRAM 交换空间均不足）
  • 4：LOW_MEM_AND_THRASHING
  • 5：DIRECT_RECL_AND_THRASHING
  • 6：LOW_MEM_AND_SWAP_UTIL
  • 7：LOW_FILECACHE_AFTER_THRASHING
  • 8：LOW_MEM
  • 9：DIRECT_RECL_STUCK
• max_thrashing：终止时的最大页面抖动百分比。

示例输出：

ts	name
30326148679967	lmk,2308,3,900,201,0
30330439763710	lmk,2309,3,500,201,0
30334985999837	lmk,2310,2,200,0,307

注意： 在前面的示例中，pid 2308（缓存，OOM 900）首先因 3 (LOW_MEM_AND_SWAP) 而被终止。随着压力持续上升，pid 2309（服务，OOM 500）也因 3 而被终止。最后，达到临界阈值，高优先级 pid 2310 (FGS, OOM 200) 因 2 (LOW_SWAP_AND_THRASHING) 而被终止，抖动达到 30.7%（由 307 指示）。

可视化

如需直观呈现数据，您可以使用以下 gnuplot 脚本在单个时间序列上绘制系统可用内存、kswapd 活动、lmkd 终止和 PSI。该脚本假定它是从 Android build 顶级目录运行的。

输出图示例

以下图表是使用上述脚本生成的，其中包含代表测试运行的示例数据。

图 3. 内存压力图，显示可用内存、kswapd、PSI 和 lmkd 终止。

图表说明：

此图展示了压力测试期间不同内存管理组件之间的动态交互：

1. 可用内存下降：随着主应用分配内存，系统可用内存（紫色线条）稳步下降。
2. kswapd 激活：当可用内存低于特定水位线时，kswapd 会唤醒（蓝色脉冲），通过交换到 ZRAM 来回收内存。这表现为间歇性峰值。
3. PSI 峰值：由于 kswapd 难以跟上高分配速率，线程开始在内存分配上停滞，导致 PSI（压力失速信息）（绿线）出现峰值。
4. LMKD 终止：当 PSI 达到临界水平（例如，在概念上超过 ro.lmk.psi_complete_stall_ms 阈值）且可用内存极低时，lmkd 会介入，通过终止低优先级进程（时间 30 和 45 处的橙色脉冲）来释放大量内存。请注意，在终止进程后，可用内存会立即增加，PSI 会下降，这表明终止进程可有效缓解压力。 ________________________________________________________________________________

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