1 Android系統概述
Android是Google(谷歌)公司開發的一款專門為移動設備打造的操作系統。2005年谷歌公司收購Android Inc公司后，于2007年研發了基于Linux的操作系統Android。2008年，TMobile與HTC公司共同研發了第一款Android手機——HTC G1。Android的發展速度非常驚人，僅僅3年便超過了Symbian系統，并且有強大的OEM支持以及眾多的開發者。
Android基于Linux平臺，主要由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件組成。采用的是軟件堆棧的結構，操作系統的底層僅提供最基本的系統功能。在Android系統中，基本上使用的是標準的Linux2.6內核，但是Google為了讓Android更適合移動手持設備，對Linux內核進行了各種優化和增強。除了Linux的通用代碼外，主要包含體系結構和處理器、Android特定的驅動程序和標準的設備驅動程序3個方面的內容。Android對Linux內核的增強主要包括Alarm(硬件鬧鐘)、Ashmem(匿名內存共享)、Low Memory Killer(低內存管理)、Logger(日志管理)等。本文將集中分析Android的內存管理，因為Android系統是在Linux系統的基礎上發展起來的，所以在介紹Linux基本的內存管理的基礎上對Android的內存管理進行研究。
2 Linux內存管理
在內存管理方面，Linux系統新舊兩個版本(2.6之前和之后)之間有很大的不同。由于Android系統是基于Linux2.6.x內核的，本文主要介紹Linux2.6在內存管理方面的基本內容。
2.1 反向映射機制
Linux2.6引入了基于對象的反向映射機制，這種方法為物理頁面設置一個用于反向映射的鏈表，但是鏈表上的節點并不是引用了該物理頁面的所有頁表項，而是相應的虛擬內存區域(vm_area_struct結構)。虛擬內存區域通過內存描述符(mm_struct結構)找到頁全局目錄，從而找到相應的頁表項。相對于前一種方法來說，用于表示虛擬內存區域的描述符比用于表示頁面的描述符要少得多，所以遍歷后邊這種反向映射鏈表所消耗的時間也會少很多。
page結構中與基于對象的反向映射相關的關鍵字段有兩個：_mapcount和mapping。基于對象的反向映射的實現如下：
struct page{
atomic_t_mapcount;
union{
……
struct{
……
struct address_space*mapping;
};
};
字段_mapcount表明共享該物理頁面的頁表項的數目，該計數器可用于快速檢查該頁面除所有者之外有多少使用者在使用，初始值是-1，每增加一個使用者，該計數器加1。
字段mapping用于區分匿名頁面和基于文件映射的頁面。如果該字段的最低位置被置位，那么該字段包含的是指向anon_vma結構(用于匿名頁面)的指針;否則，該字段包含指向address_space結構的指針(用于基于文件映射的頁面)。
2.2 Linux頁面回收
Linux中頁面回收主要通過兩種方式觸發：一種是由“內存嚴重不足”事件觸發;另一種是由后臺進程kswapd觸發，該進程周期性地運行，一旦檢測到內存不足，就會觸發頁面回收操作。這里主要介紹shrink_zone()函數，此函數是Linux操作系統實現頁面回收的最核心的函數之一，它實現了對一個內存區域的頁面進行回收的功能。該函數主要做了兩件事：
① 將某些頁面從active鏈表移到inactive鏈表，這是由函數shrink_active_list()實現的;
② 從inactive鏈表中選定一定數目的頁面，將其放到一個臨時鏈表中，這由函數shrink_inactive_list()完成。
該函數最終會調用shrink_page_list()去回收這些頁面。
2.3 OOMKiller機制
OOM(Out of Memory)是標準Linux內核(kernel)的一種內存管理機制，當系統內存耗盡時，OOM會選擇性的殺掉一些進程以求釋放一些內存。
Linux在2.6.36內核中修正了OOMKiller的行為，跟之前的OOMKiller相比，主要體現在3個方面：第一，將物理內存頁面的使用作為基準而不是虛擬地址空間的大小;第二，導出用戶策略的控制權;第三，內核有了一個簡單而合理的默認策略。
Linux下有3種Overcommit的策略：0,啟發式策略;1，永遠允許Overcommit，這種策略適合那些不能承受內存分配失敗的應用;2，永遠禁止Overcommit，這種策略下系統所能分配的內存不會超過swap+RAM*系數。在Linux系統中，只要存在Overcommit，就可能會有OOMKiller跳出來。當OOMKiller跳出來的時候，期望它可以殺掉沒用的且耗內存多的程序，這就需要一個選擇目標的策略。Linux下這個選擇目標的策略也在隨著內核的改進不斷的演化。在Linux下每個進程都會有個OOM權重，在/proc/ /oom_adj中，取值是-17~+15，取值越高，越容易被殺掉。用戶可以通過設置這些值來影響OOMKiller作出決策。這個值是系統綜合進程的內存消耗量、CPU時間、存活時間和oom_adj計算出的，消耗內存越多分值就會越高。除此之外，Linux在計算進程的內存消耗的時候，會將子進程所耗內存的一半同時算到父進程中。
3 Android的低內存管理
Android是一個多任務系統，當啟動一個程序時會消耗一定的時間。為了加快運行速度，當退出一個程序時，Android并不會立即殺掉它，這樣當用戶重新運行該程序時，可以很快地啟動。但隨著系統中保留的程序越來越多，內存肯定會出現不足，此時就有了Android的低內存管理(Low Memory Killer)機制。
3.1 Low Memory Killer機制
Low Memory Killer是在標準Linux kernel的OOM基礎上修改而來的一種內存管理機制，基于oom_adj和占用內存的大小來選擇Bad進程。對應于每個oom_adj都有一個空閑內存的閾值，Android kernel每隔一段時間會檢查當前空閑內存是否低于某個閾值。如果是，則殺死oom_adj最大的Bad進程。如有兩個以上的Bad進程oom_adj相同，則殺死其中占用內存最多的進程。
3.2 Low Memory Killer的實現
Low Memory Killer是以內核驅動的形式實現的，該實現位于drivers/misc/lowmemorykiller.c中，通過注冊Cache Shrinker實現。Cache Shrinker是標準Linux kernel回收頁面的一種機制，它由內核線程kswapd監控，當空閑內存頁面不足時，kswapd會調用注冊的Shrinker回調函數，來回收內存頁面。lowmem_shrink是這個驅動的核心實現，當內存不足時就會調用lowmem_shrink方法來殺掉某些內存。lowmem_shrink用兩個數組作為選擇Bad進程的依據，定義如下：
static int lowmem_adj[6]={0,1,6,12};
static int lowmem_adj_size=4;
static size_t lowmem_minfree[6]={3*512,2*1024,4*1024,16*1024};
lowmem_minfree保存空閑內存的閾值，單位是一個頁面4 KB，lowmem_adj保存每個閾值對應的優先級。lowmem_shrink首先計算當前空閑內存的大小，如果小于某個閾值，則以該閾值對應的優先級為基準，遍歷各個進程，計算每個進程占用內存的大小，找出優先級大于基準優先級的進程，在這些進程中選擇優先級最大的殺死。如果優先級相同，則選擇占用內存最多的進程。lowmem_shrink殺死進程的方法是向進程發送一個不可以忽略或阻塞的SIGKILL信號：force_sig(SIGKILL,selected)。
3.3 內存管理
Android中的內存管理分為兩個部分：第一部分是當應用程序關閉后，后臺對應的進程并沒有真正退出，以便下次再啟動時能夠快速啟動;第二部分是當系統內存不夠時，Ams會主動根據內存管理機制退出優先級較低的進程。這里主要介紹第二部分。
Ams(Activity manager service)運行在Java環境中，而Android采用Dalvik虛擬機，應用程序和Ams運行在兩個獨立的虛擬機中，Ams并不會知道應用程序的內存分配情況。那內存是怎么管理的呢?在Android中運行一個Low Memory Killer進程，該進程啟動時會首先在Linux內核中把自己注冊為一個OOM Killer，即當Linux內核的內存管理模塊檢測到系統內存低的時候就會通知已經注冊的OOM進程，然后這些OOM Killer就可以根據各種規則進行內存釋放。當內存滿足低的條件時，Linux內核管理模塊通知OOM Killer，Killer則根據Ams所告知的優先級，強制退出優先級低的應用程序。
4 Android內存優化研究
Android內存管理機制主要是針對進程的優先級和內存占用情況來對進程進行管理的，所以對內存管理的優化也主要體現在對進程閾值的設定上。
4.1 Android進程
Android根據進程的重要性，將進程分為以下幾類：
① FOREGROUD_APP(前臺進程)，用戶正在使用的進程和一些系統進程。
② VISIBLE_APP(可見的進程)跟FOREGROUD_APP類似，用戶正在使用或看得到，它們的區別就是VISIBLE_APP可能不是用戶關注的程序，但是用戶看得到，或者沒有覆蓋到整個屏幕，只有屏幕的一部分。
③ SECONDARY_SERVER(后臺進程)是被切換到后臺的進程，后臺進程的管理策略有很多種，Android采用一種消極的方式，即盡可能地保留后臺程序，這樣可以很好地提高再次啟動的速度。
④ HIDDEN_APP(隱藏的程序)是用戶看不見但是還在運行的程序，跟②有一定的區別。
⑤ CONTENT_PROVIDER(內容供應節點)沒有程序實體，僅提供內容供別的進程使用，比如日歷供應節點、郵件供應節點等。
⑥ EMPTY_APP(空進程)既不提供服務，也不提供內容。當進程退出時，系統會自動為其保留一個空進程，目的也是為了保證程序再次啟動的速度。
以上每個進程都會有個oom_adj值，①～⑥分別為0、1、2、7、14、15。
除了程序的重要性，Android系統還會維護另外一張表，進程優先級及閾值對應關系如表1所列。
表1 進程優先級及閾值對應關系
這個表定義了一個對應關系，每個警戒值對應了一個重要性值，當系統的可用內存低于某個警戒值時，就殺掉所有大于該警戒值對應的重要性的程序。
4.2 內存管理優化
Android的Low Memory Killer機制基本上可以滿足普通用戶的需求，但是針對于某些特定用戶就需要對特定程序進行某些設置，從而手動地參與內存管理。對進程的優化主要設置6類進程的閾值，系統閾值存在的問題包括：第一，各類進程管理策略的閾值相當接近，在實際程序運行中，很容易導致多種類型的進程同時被關閉;第二，閾值上限較低，一般手機啟動后，可用內存在50~100 MB左右，但隨著手機的使用，內存會逐漸減小，最后降低到24 MB左右，但24 MB相對較低，會降低系統的反應速度。
優化原則：拉開各進程的閾值層次，使得進程管理機制能更有效地工作;提高閾值上限，空出更多的空余內存，以提升系統整體的運行速度;前臺進程、可見進程和次要服務是與用戶體驗息息相關的內容，這部分的進程管理策略要相對保守，給這些進程留下足夠的運行空間;壓榨無用進程，騰出內存空間給主要程序使用。
4.3 內存測試
本文以OK6410開發板為例，對內存優化進行測試，OK6410采用的是Android2.3.4系統，256 MB內存。系統默認內存配置如圖1所示。
圖1 系統默認內存配置(MB)
這里采用測試程序對系統性能進行測試評分，在系統默認配置情況下優化前的內存測評如圖2所示。
圖2 優化前的內存測評
圖3 優化內存分配(MB)
針對某些特定需求，以游戲玩家為例，此時只需要游戲運行有足夠的內存空間，而對多任務的需求不高。因此，可以盡量壓榨后臺進程、內容供應節點和空進程，將內存盡可能地留給前臺進程和系統程序，進而提升游戲運行速度。在此設置的值如圖3所示。
此設置大幅度提升了后臺進程、內容供應節點和空進程的閾值，這樣當系統內存小于100 MB時就可以最先殺死空進程，然后根據內存情況，進而殺死后臺進程和內容供應節點。如此，就為前臺進程和系統進程留下了足夠的內存空間，很好地滿足特定用戶的需求。在此情況下的系統測評如圖4所示。
圖4 優化后測評分數
通過圖2跟圖4的分數以及理論分析，可以發現系統在內存方面的性能有了明顯的提升。
結語
Android的內存管理基于Linux，并在此基礎上有了很大的改變，在性能和穩定性方面為移動設備提供了很好的支持。其本身的內存管理機制可以合理地對每個進程進行管理，用戶可以根據自己的需求通過對各個級別的優先級及閾值的改變參與到系統內存的管理中來。