Android LowMemoryKiller 簡介

讀書筆記，如需轉載，請註明作者：Yuloran (t.cn/EGU6c76)

前言

筆者在之前的文章《分析並優化 Android 應用記憶體佔用》中提到，為了避免 Cached Pages 太少時導致裝置卡頓、當機、重啟等情況，Android 引入了 LowMemoryKiller（源自 Linux OOM Killer） 機制，提前回收優先順序比較低的程式所佔的資源，以保證一個較好的使用者體驗。程式優先順序列表由 SystemServer 程式維護：

其中 Cached 程式列表，使用的是 LRU 演算法。

每個 Java 程式都有一個相關聯的 ProcessRecord 物件，其成員變數 curAdj 就表示該程式當前狀態下的優先順序：

    int curAdj; // Current OOM adjustment for this process
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當裝置可用記憶體低於 LMK 閾值時，LMK 便會根據程式的優先順序，逐級殺死程式並釋放其佔用的資源。

建議先閱讀筆者前四篇博文，以對 Android 記憶體相關有一個比較全面而深入的瞭解：

• 《Java 虛擬機器記憶體模型及 GC 演算法詳解》
• 《Android 虛擬機器 Vs Java 虛擬機器》
• 《分析並優化 Android 應用記憶體佔用》
• 《Android 記憶體洩露詳解》

本篇博文為 Android 記憶體系列的最後一篇。

程式的生命週期

本小節摘自 Google Android Developers 《程式和執行緒》，LMK 殺死程式時，將遵從 空程式 -> 後臺程式 -> 服務程式 -> 可見程式 -> 前臺程式 的順序：

前臺程式

使用者當前操作所必需的程式。如果一個程式滿足以下任一條件，即視為前臺程式：

• 託管使用者正在互動的 Activity（已呼叫 Activity 的 onResume() 方法）
• 託管某個 Service，該 Service 繫結到使用者正在互動的 Activity
• 託管正在“前臺”執行的 Service（服務已呼叫 startForeground()）
• 託管正執行一個生命週期回撥的 Service（onCreate()、onStart() 或 onDestroy()）
• 託管正執行其 onReceive() 方法的 BroadcastReceiver

通常，在任意給定時間前臺程式都為數不多。只有在記憶體不足以支援它們同時繼續執行這一萬不得已的情況下，系統才會終止它們。

可見程式

沒有任何前臺元件、但仍會影響使用者在螢幕上所見內容的程式。 如果一個程式滿足以下任一條件，即視為可見程式：

• 託管不在前臺、但仍對使用者可見的 Activity（已呼叫其 onPause() 方法）。例如，如果前臺 Activity 啟動了一個對話方塊，則有可能會發生這種情況。
• 託管繫結到可見（或前臺）Activity 的 Service。

可見程式被視為是極其重要的程式，除非為了維持所有前臺程式同時執行而必須終止，否則系統不會終止這些程式。

服務程式

正在執行已使用 startService() 方法啟動的服務且不屬於上述兩個更高類別程式的程式。

儘管服務程式與使用者所見內容沒有直接關聯，但是它們通常在執行一些使用者關心的操作（例如，在後臺播放音樂或從網路下載資料）。因此，除非記憶體不足以維持所有前臺程式和可見程式同時執行，否則系統會讓服務程式保持執行狀態。

後臺程式

包含目前對使用者不可見的 Activity 的程式（已呼叫 Activity 的 onStop() 方法）。

這些程式對使用者體驗沒有直接影響，系統可能隨時終止它們，以回收記憶體供前臺程式、可見程式或服務程式使用。 通常會有很多後臺程式在執行，因此它們會儲存在 LRU （最近最少使用）列表中，以確保包含使用者最近檢視的 Activity 的程式最後一個被終止。

空程式

不含任何活動應用元件的程式。

保留這種程式的的唯一目的是用作快取，以縮短下次在其中執行元件所需的啟動時間。 為使總體系統資源在程式快取和底層核心快取之間保持平衡，系統往往會終止這些程式。

LowMemoryKiller

Andorid 的 Low Memory Killer 是在標準的 Linux Kernel 的 OOM Killer 基礎上修改而來的一種記憶體管理機制。當系統記憶體不足時，殺死不重要的程式以釋放其記憶體。LMK 的關鍵引數有 3 個：

• oom_adj：在 Framework 層使用，代表程式的優先順序，數值越高，優先順序越低，越容易被殺死。
• oom_adj threshold：在 Framework 層使用，代表 oom_adj 的記憶體閾值。Android Kernel 會定時檢測當前剩餘記憶體是否低於這個閥值，若低於則殺死 oom_adj ≥ 該閾值對應的 oom_adj 中，數值最大的程式，直到剩餘記憶體恢復至高於該閥值的狀態。
• oom_score_adj： 在 Kernel 層使用，由 oom_adj 換算而來，是殺死程式時實際使用的引數。

oom_adj

取值範圍定義：

-> ProcessList（AOSP, master 分支）

    // These are the various interesting memory levels that we will give to
    // the OOM killer.  Note that the OOM killer only supports 6 slots, so we
    // can't give it a different value for every possible kind of process.
    private final int[] mOomAdj = new int[] {
            FOREGROUND_APP_ADJ, VISIBLE_APP_ADJ, PERCEPTIBLE_APP_ADJ,
            BACKUP_APP_ADJ, CACHED_APP_MIN_ADJ, CACHED_APP_MAX_ADJ
    };
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以上僅是 LMK 殺死程式時使用的 adj，實際上該類中定義了更多的 adj：

常量定義	常量取值	含義
NATIVE_ADJ	-1000	native程式（不被系統管理）
SYSTEM_ADJ	-900	系統程式
PERSISTENT_PROC_ADJ	-800	系統persistent程式，比如telephony
PERSISTENT_SERVICE_ADJ	-700	關聯著系統或persistent程式
FOREGROUND_APP_ADJ	0	前臺程式
VISIBLE_APP_ADJ	100	可見程式
PERCEPTIBLE_APP_ADJ	200	可感知程式，比如後臺音樂播放
BACKUP_APP_ADJ	300	備份程式
HEAVY_WEIGHT_APP_ADJ	400	後臺的重量級程式，system/rootdir/init.rc檔案中設定
SERVICE_ADJ	500	服務程式
HOME_APP_ADJ	600	Home程式
PREVIOUS_APP_ADJ	700	上一個App的程式
SERVICE_B_ADJ	800	B List中的Service（較老的、使用可能性更小）
CACHED_APP_MIN_ADJ	900	不可見程式的adj最小值
CACHED_APP_MAX_ADJ	906	不可見程式的adj最大值
UNKNOWN_ADJ	1001	一般指將要會快取程式，無法獲取確定值

以上常量在 Android 6.0（API23）及之前版本的取值範圍為 [-17, 16]：ProcessList（AOSP，marshmallow-release 分支）

規律：取值越大，重要性越低，程式越容易被殺死。

當觸發 LowMemoryKiller 機制時，可根據日誌中程式的 adj 值，具體分析程式是在什麼狀態下被殺死的。

oom_adj threshold

取值範圍定義：

-> ProcessList（AOSP, master 分支）

    // The actual OOM killer memory levels we are using.
    private final int[] mOomMinFree = new int[mOomAdj.length];
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具體取值由下面兩個變數經過換算得到：

    // These are the low-end OOM level limits.  This is appropriate for an
    // HVGA or smaller phone with less than 512MB.  Values are in KB.
    private final int[] mOomMinFreeLow = new int[] {
            12288, 18432, 24576,
            36864, 43008, 49152
    };
    // These are the high-end OOM level limits.  This is appropriate for a
    // 1280x800 or larger screen with around 1GB RAM.  Values are in KB.
    private final int[] mOomMinFreeHigh = new int[] {
            73728, 92160, 110592,
            129024, 147456, 184320
    };
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陣列初始化或更新的方法：

    private void updateOomLevels(int displayWidth, int displayHeight, boolean write) {
        float scaleMem = ((float)(mTotalMemMb-350))/(700-350);
        int minSize = 480*800;  //  384000
        int maxSize = 1280*800; // 1024000  230400 870400  .264
        float scaleDisp = ((float)(displayWidth*displayHeight)-minSize)/(maxSize-minSize);
        float scale = scaleMem > scaleDisp ? scaleMem : scaleDisp;
        ...省略
        final boolean is64bit = Build.SUPPORTED_64_BIT_ABIS.length > 0;
        for (int i=0; i<mOomAdj.length; i++) {
            int low = mOomMinFreeLow[i];
            int high = mOomMinFreeHigh[i];
            if (is64bit) {
                // Increase the high min-free levels for cached processes for 64-bit
                if (i == 4) high = (high*3)/2;
                else if (i == 5) high = (high*7)/4;
            }
            mOomMinFree[i] = (int)(low + ((high-low)*scale));
        }
        ...省略
        if (write) {
            ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(4 * (2*mOomAdj.length + 1));
            buf.putInt(LMK_TARGET);
            for (int i=0; i<mOomAdj.length; i++) {
                // 除以了 PAGE_SIZE，所以 minfree 中的單位為頁，及 4KB
                buf.putInt((mOomMinFree[i]*1024)/PAGE_SIZE);
                buf.putInt(mOomAdj[i]);
            }
            // 向 lmkd 程式傳送 LMK_TARGET 命令，
            // 將 oom_adj 閾值寫入 "/sys/module/lowmemorykiller/parameters/minfree" 
            // 將 oom_adj 寫入 "/sys/module/lowmemorykiller/parameters/adj"
            writeLmkd(buf);
            SystemProperties.set("sys.sysctl.extra_free_kbytes", Integer.toString(reserve));
        }
        // GB: 2048,3072,4096,6144,7168,8192
        // HC: 8192,10240,12288,14336,16384,20480
    }
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在 ActivityManagerService 呼叫 updateConfiguration() 的過程中會呼叫該方法，根據裝置的解析度初始化或更新閾值的大小。

oom_score_adj

取值範圍定義在 Linux Kernel 中：

-> oom.h

#ifndef _UAPI__INCLUDE_LINUX_OOM_H
#define _UAPI__INCLUDE_LINUX_OOM_H

/*
 * /proc/<pid>/oom_score_adj set to OOM_SCORE_ADJ_MIN disables oom killing for
 * pid.
 */
#define OOM_SCORE_ADJ_MIN	(-1000)
#define OOM_SCORE_ADJ_MAX	1000

/*
 * /proc/<pid>/oom_adj set to -17 protects from the oom killer for legacy
 * purposes.
 */
#define OOM_DISABLE (-17)
/* inclusive */
#define OOM_ADJUST_MIN (-16)
#define OOM_ADJUST_MAX 15

#endif /* _UAPI__INCLUDE_LINUX_OOM_H */
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oom_adj 到 oom_score_adj 的換算方法定義在 Linux Driver 中：

-> lowmemorykiller.c

static int lowmem_oom_adj_to_oom_score_adj(int oom_adj)
{
	if (oom_adj == OOM_ADJUST_MAX)
		return OOM_SCORE_ADJ_MAX;
	else
		return (oom_adj * OOM_SCORE_ADJ_MAX) / -OOM_DISABLE;
}
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工作流程

簡述 LMK 的工作流程

啟動 lmkd

lmkd 是由 init程式通過解析 init.rc 檔案來啟動的守護程式。lmkd 會建立名為 lmkd 的 socket，節點位於 /dev/socket/lmkd，該 socket 用於跟上層 framework 互動：

service lmkd /system/bin/lmkd
    class core
    group root readproc
    critical
    socket lmkd seqpacket 0660 system system
    writepid /dev/cpuset/system-background/tasks
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lmkd 啟動後，便會進入迴圈等待狀態，接受來自 ProcessList 的三個命令：

命令	功能	方法
LMK_TARGET	初始化 oom_adj	ProcessList::setOomAdj()
LMK_PROCPRIO	更新 oom_adj	ProcessList::updateOomLevels()
LMK_PROCREMOVE	移除程式（暫時無用）	ProcessList::remove()

初始化 oom_adj

在 ActivityManagerService 呼叫 updateConfiguration() 的過程中會呼叫 ProcessList::updateOomLevels() 方法，根據裝置的解析度調整閾值的大小，通過 LMK_TARGET 命令，通知 lmkd（low memory killer deamon）分別向 /sys/module/lowmemorykiller/parameters 目錄下的 minfree 和 adj 節點寫入相應資訊：

更新 oom_adj

在 ActivityManagerService 呼叫 applyOomAdjLocked() 的過程中會呼叫 ProcessList::setOomAdj() 方法，通過 LMK_PROCPRIO 命令，通知 lmkd 向 /proc/程式號/oom_score_adj 寫入 oomadj：

D:\Android\projects\wanandroid_java>adb shell ps | findstr wanandroid
u0_a71    6461  1285  1177696 84024 SyS_epoll_ b131e424 S com.yuloran.wanandroid_java

D:\Android\projects\wanandroid_java>adb shell ls /proc/6461/
...省略
oom_adj
oom_score
oom_score_adj
...
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ActivityManagerService 會根據當前應用程式託管元件（即四大元件）生命週期的變化，及時的呼叫 applyOomAdjLocked()，更新程式狀態及該狀態對應的 oom_adj。

程式狀態表：

-> ActivityManager.java（AOSP，branch：master）

常量定義	常量取值	含義
PROCESS_STATE_UNKNOWN	-1	非真實的程式狀態
PROCESS_STATE_PERSISTENT	0	persistent 系統程式
PROCESS_STATE_PERSISTENT_UI	1	persistent 系統程式，並正在執行UI操作
PROCESS_STATE_TOP	2	擁有當前使用者可見的 top Activity
PROCESS_STATE_FOREGROUND_SERVICE	3	託管一個前臺 Service 的程式
PROCESS_STATE_BOUND_FOREGROUND_SERVICE	4	託管一個由系統繫結的前臺 Service 的程式
PROCESS_STATE_IMPORTANT_FOREGROUND	5	對使用者很重要的程式，使用者可感知其存在
PROCESS_STATE_IMPORTANT_BACKGROUND	6	對使用者很重要的程式，使用者不可感知其存在
PROCESS_STATE_TRANSIENT_BACKGROUND	7	Process is in the background transient so we will try to keep running.
PROCESS_STATE_BACKUP	8	後臺程式，正在執行backup/restore操作
PROCESS_STATE_SERVICE	9	後臺程式，且正在執行service
PROCESS_STATE_RECEIVER	10	後臺程式，且正在執行receiver
PROCESS_STATE_TOP_SLEEPING	11	與 PROCESS_STATE_TOP 一樣，但此時裝置正處於休眠狀態
PROCESS_STATE_HEAVY_WEIGHT	12	後臺程式，但無法執行restore，因此儘量避免kill該程式
PROCESS_STATE_HOME	13	後臺程式，且擁有 home Activity
PROCESS_STATE_LAST_ACTIVITY	14	後臺程式，且擁有上一次顯示的 Activity
PROCESS_STATE_CACHED_ACTIVITY	15	程式處於 cached 狀態，且內含 Activity
PROCESS_STATE_CACHED_ACTIVITY_CLIENT	16	程式處於 cached 狀態，且為另一個 cached 程式(內含 Activity)的 client 程式
PROCESS_STATE_CACHED_RECENT	17	程式處於 cached 狀態，且內含與當前最近任務相對應的 Activity
PROCESS_STATE_CACHED_EMPTY	18	程式處於 cached 狀態，且為空程式
PROCESS_STATE_NONEXISTENT	19	不存在的程式

同一個程式，在不同狀態下，其 oom_adj 是不一樣的。

kill 並移除程式

在 ActivityManagerService 呼叫 updateOomAdjLocked() 時，會判斷程式是否需要被殺死，若是，則呼叫 ProceeRecord::kill() 方法殺死該程式：

注: 目前 LMK_PROCREMOVE 命令暫時無用，即未執行有意義的程式碼。

結語

Android 記憶體系列至此，全部完結?。如有錯誤，還望不吝賜教?。

參考資料

• 《Android程式生命週期與ADJ》
• 《Android程式排程之adj演算法》
• 《Android LowMemoryKiller原理分析》
• AOSP