接上篇繼續(xù)總結(jié)內(nèi)存管理基礎(chǔ)。

五、內(nèi)存回收

無論計算機上有多少內(nèi)存都是不夠的，因而linux kernel需要通過內(nèi)存回收策略來保證系統(tǒng)持續(xù)有內(nèi)存使用。

5.1 基本概念

1. 頁分類（按有無文件背景頁面主要分兩種）：
文件頁（file-backed page）：有文件背景頁面。可以直接和硬盤對應(yīng)的文件進行交換。
匿名頁（anonymous page）：無文件背景頁面。如進程堆、棧、數(shù)據(jù)段使用的頁等，無法直接跟磁盤交換，但是可以跟swap區(qū)進行交換。

2. 緩存：
對于有文件背景的頁面，程序去讀文件時，可以通過read也可以通過mmap去讀。通過任何一種方式從磁盤讀文件時，內(nèi)核都會給你申請一個page cache，來緩存硬盤上的內(nèi)容。這樣，讀過一遍的數(shù)據(jù)下次再讀的時候就直接從page cache里去拿，提升了性能和訪問速度。

而這里需要補充兩對概念：
1）對比兩種文件操作的方式：read/write 和 mmap

read/write: 常規(guī)文件操作為了提高讀寫效率和保護磁盤，使用了page cache機制。這樣造成讀文件時需要先將文件頁從磁盤拷貝到頁緩存中，由于頁緩存處在內(nèi)核空間，不能被用戶進程直接尋址，所以還需要將頁緩存中數(shù)據(jù)頁再次拷貝到內(nèi)存對應(yīng)的用戶空間中。這樣，通過了兩次數(shù)據(jù)拷貝過程，才能完成進程對文件內(nèi)容的獲取任務(wù)。寫操作也是一樣，待寫入的buffer在內(nèi)核空間不能直接訪問，必須要先拷貝至內(nèi)核空間對應(yīng)的主存，再寫回磁盤中（延遲寫回），也是需要兩次數(shù)據(jù)拷貝。但是讀過的數(shù)據(jù)下次再讀就直接從page cache里去拿了, 這時效率也是很高的。

mmap:創(chuàng)建新的虛擬內(nèi)存區(qū)域和建立文件磁盤地址和虛擬內(nèi)存區(qū)域映射這兩步，沒有任何文件拷貝操作。而之后訪問數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)內(nèi)存中并無數(shù)據(jù)而發(fā)起的缺頁異常過程，可以通過已經(jīng)建立好的映射關(guān)系，只使用一次數(shù)據(jù)拷貝，就從磁盤中將數(shù)據(jù)傳入內(nèi)存的用戶空間中，供進程使用。對文件的讀取操作跨過了頁緩存，減少了數(shù)據(jù)的拷貝次數(shù)，用內(nèi)存讀寫取代I/O讀寫，提高了文件讀取效率。

2）cache 與 buffer
通過文件系統(tǒng)來訪問文件產(chǎn)生的緩存記錄為cache。
直接操作磁盤產(chǎn)生的緩存記錄為buffer。

這里cache提升了文件讀寫的性能和速度，但是也占用了物理內(nèi)存空間，并且在程序運行結(jié)束后，cache memory也不會自動釋放，而需要通過內(nèi)存回收策略來釋放。

5.2 哪些內(nèi)存可以回收

屬于內(nèi)核的大部分頁框是不能夠進行回收的，比如內(nèi)核棧、內(nèi)核代碼段、內(nèi)核數(shù)據(jù)段以及大部分內(nèi)核使用的頁框。
進程使用的頁框可以進行回收的，比如進程代碼段、進程數(shù)據(jù)段、進程堆棧、進程訪問文件時映射的文件頁、進程間共享內(nèi)存使用的頁。

5.3 頁回收方式

頁回寫：如果一個很少使用的頁的后備存儲器是一個塊設(shè)備（例如文件映射），則可以將內(nèi)存直接同步到塊設(shè)備，騰出的頁面可以被重用。
頁交換：如果頁面沒有后備存儲器，則可以交換到特定swap分區(qū)，再次被訪問時再交換回內(nèi)存。
頁丟棄：如果頁面的后備存儲器是一個文件，但文件內(nèi)容在內(nèi)存不能被修改（例如可執(zhí)行文件），那么在當(dāng)前不需要的情況下可直接丟棄。

5.4 頁回收算法-LRU

當(dāng)Linux系統(tǒng)內(nèi)存有盈余時，內(nèi)核會盡量多地使用內(nèi)存作為page cache，提高系統(tǒng)性能，page cache會被加入到文件類型的LRU鏈表中，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存緊張時，會按一定的算法來回收內(nèi)存，下面簡單了解下：

LRU鏈表按zone來配置，每個zone中都有一整套LRU鏈表。

而一個lru鏈表描述符中總共有5個雙向鏈表頭，它們分別描述五中不同類型的鏈表：

• LRU_INACTIVE_ANON：稱為非活動匿名頁lru鏈表（swap）
• LRU_ACTIVE_ANON：稱為活動匿名頁lru鏈表（swap）
• LRU_INACTIVE_FILE：稱為非活動文件頁lru鏈表（磁盤）
• LRU_ACTIVE_FILE：稱為活動文件頁lru鏈表（磁盤）
• LRU_UNEVICTABLE：此鏈表中保存的是此zone中所有禁止換出的頁的描述符。

那么lru鏈表進行的操作主要有以下幾種：

• 將不處于lru鏈表的新頁放入到lru鏈表中
• 將非活動lru鏈表中的頁移動到非活動lru鏈表尾部
• 將處于活動lru鏈表的頁移動到非活動lru鏈表
• 將處于非活動lru鏈表的頁移動到活動lru鏈表
• 將頁從lru鏈表中移除

LRU老化規(guī)則：頁面通過lru批處理，轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去，從活動鏈表轉(zhuǎn)到非活動鏈表，從非活動鏈表靠前轉(zhuǎn)到鏈尾，在內(nèi)存回收時，非活動鏈表鏈尾的頁被回收掉。

當(dāng)內(nèi)存緊張時，優(yōu)先換出無臟數(shù)據(jù)的page cache（文件頁包含page cache），直接丟棄。其次才是匿名頁和有臟數(shù)據(jù)的文件頁的回收。遵循URL老化規(guī)則。通過Swappiness來確定更傾向于回收哪種更多一點，swappiness越大，越傾向于回收匿名頁，反之越傾向于回收文件頁。將swapness=0則意味著不再交換匿名頁,swapness=100, 盡量交換匿名頁，Swappiness默認值為60。

5.4 頁回收時機
周期性回收（被動觸發(fā)）：這是由后臺運行的守護進程 kswapd 完成的，回收的時機由水位控制。
直接頁面回收（主動觸發(fā)）：“內(nèi)存嚴重不足”事件的觸發(fā)。

如果操作系統(tǒng)在進行了內(nèi)存回收操作之后仍然無法回收到足夠多的頁面以滿足上述內(nèi)存要求，那么操作系統(tǒng)只有最后一個選擇，那就是使用 OOM( out of memory )killer，它從系統(tǒng)中挑選一個最合適的進程殺死它，并釋放該進程所占用的所有頁面。

5.4.1 水位控制

注：由于每個ZONE是分別管理各自內(nèi)存的，因此每個ZONE都有這三個水位。

5.4.2 回收代碼調(diào)用路徑

頁面回收代碼調(diào)用路徑

直接頁面回收：

系統(tǒng)會調(diào)用函數(shù) try_to_free_pages() 去檢查當(dāng)前內(nèi)存區(qū)域中的頁面，回收那些最不常用的頁面。該函數(shù)會反復(fù)調(diào)用 shrink_zones() 以及 shrink_slab() 釋放一定數(shù)目的頁面，默認值是 32 個頁面。如果在特定的循環(huán)次數(shù)內(nèi)沒有能夠成功釋放 32 個頁面，那么頁面回收會調(diào)用 OOM killer 選擇并殺死一個進程，然后釋放它占用的所有頁面。

注：OOM_killer是Linux自我保護的方式，當(dāng)內(nèi)存不足時不至于出現(xiàn)太嚴重問題，有點壯士斷腕的意味。在kernel 2.6，內(nèi)存不足將喚醒oom_killer，挑出/proc/<pid>/oom_score最大者并將之kill掉。

定期（周期性）回收：

kswapd進程以水線為觸發(fā)點，按LRU鏈表來進行回收。系統(tǒng)會調(diào)用函數(shù)balance_pgdat()，它主要調(diào)用的函數(shù)是 shrink_zone() 和 shrink_slab()。

5.4.3 函數(shù)介紹

shrink_zone()
該函數(shù)主要做了兩件事情：
1）將某些頁面從 active 鏈表移到 inactive 鏈表，這是由函數(shù) shrink_active_list() 實現(xiàn)的。
2）從 inactive 鏈表中選定一定數(shù)目的頁面，將其放到一個臨時鏈表中，這由函數(shù) shrink_inactive_list() 完成。該函數(shù)最終會調(diào)用 shrink_page_list() 去回收這些頁面。

shrink_slab()
該函數(shù)用來回收磁盤緩存所占用的頁面的。Linux 操作系統(tǒng)并不清楚這類頁面是如何使用的，所以如果希望操作系統(tǒng)回收磁盤緩存所占用的頁面，那么必須要向操作系統(tǒng)內(nèi)核注冊 shrinker 函數(shù)，shrinker 函數(shù)會在內(nèi)存較少的時候主動釋放一些該磁盤緩存占用的空間。函數(shù) shrink_slab() 會遍歷 shrinker 鏈表，從而對所有注冊了 shrinker 函數(shù)的磁盤緩存進行處理。Android內(nèi)核的lowmemorykiller機制就是注冊了shrinker，內(nèi)存過低時選擇性殺死進程來回收內(nèi)存。

shrink_page_list()
邏輯流程圖：

shrink_page_list()執(zhí)行邏輯

六、用戶空間內(nèi)存管理

6.1 Android用戶空間進程劃分

• Native進程：不包含虛擬機實例的linux進程。
• Java進程：包含了虛擬機實例的linux進程。

6.2 內(nèi)存管理
6.2.1 Natvie進程
1）內(nèi)存區(qū)域劃分：
Native進程與Linux進程一樣，虛擬內(nèi)存區(qū)域分為：代碼區(qū)、只讀常量區(qū)、全局區(qū)、BSS段、堆區(qū)、棧區(qū)

native進程內(nèi)存區(qū)域劃分

代碼區(qū)：存放函數(shù)體的二進制代碼。
只讀常量區(qū)：存放字符串常量，以及const修飾的全局變量 。
全局區(qū)/數(shù)據(jù)區(qū)：存放已經(jīng)初始化的全局變量和已經(jīng)初始化用static修飾的局部變量。
BSS段：存放沒有初始化的全局變量和未初始化靜態(tài)局部變量，該區(qū)域會在main函數(shù)執(zhí)行前進行自動清零。
堆區(qū)：一般由程序員分配釋放，若程序員不釋放，程序結(jié)束時可能由OS回收。注意它與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆是兩回事，分配方式倒是類似于鏈表。
棧區(qū)：由編譯器自動分配釋放，存放函數(shù)的參數(shù)值，局部變量的值等。其操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。

注意：棧區(qū)和堆區(qū)之間并沒有嚴格分割線，可以進行微調(diào)，并且堆區(qū)分配一般從低地址到高地址分配，而棧區(qū)分配一般從高地址到低地址分配。

以上是標準劃分，但是對于一個進程的內(nèi)存空間，邏輯上可以分為以下三部分:
程序區(qū)： 程序的二進制文件。
靜態(tài)存儲區(qū)：（只讀常量區(qū)、全局區(qū)、BSS段）全局變量和靜態(tài)變量。
動態(tài)存儲區(qū)：（堆區(qū)、棧區(qū)）本地變量。

注：
局部變量：在一個有限的范圍內(nèi)的變量，作用域是有限的，對于程序來說，在一個函數(shù)體內(nèi)部聲明的普通變量都是局部變量，局部變量會在棧上申請空間，函數(shù)結(jié)束后，申請的空間會自動釋放。
全局變量：在函數(shù)體外申請的，會被存放在全局（靜態(tài)區(qū)）上，知道程序結(jié)束后才會被結(jié)束，這樣它的作用域就是整個程序。
靜態(tài)變量：和全局變量的存儲方式相同，在函數(shù)體內(nèi)聲明為static就可以使此變量像全局變量一樣使用，不用擔(dān)心函數(shù)結(jié)束而被釋放。

2）內(nèi)存分配與回收
內(nèi)存的靜態(tài)分配和動態(tài)分配的區(qū)別主要是兩個：

• 時間上：靜態(tài)分配發(fā)生在程序編譯和連接時，動態(tài)分配則發(fā)生在程序調(diào)入和執(zhí)行時。
• 空間上：堆都是動態(tài)分配的，沒有靜態(tài)分配的堆。棧有2種分配方式：靜態(tài)分配和動態(tài)分配。靜態(tài)分配是編譯器完成的，比如局部變量的分配。動態(tài)分配由函數(shù)malloc進行分配。不過棧的動態(tài)分配和堆不同，他的動態(tài)分配是由編譯器進行釋放，無需我們手工實現(xiàn)。

動態(tài)內(nèi)存分配與回收
所謂動態(tài)內(nèi)存分配，就是指在程序執(zhí)行的過程中動態(tài)地分配或者回收存儲空間的分配內(nèi)存的方法。動態(tài)內(nèi)存分配不象數(shù)組等靜態(tài)內(nèi)存分配方法那樣需要預(yù)先分配存儲空間，而是由系統(tǒng)根據(jù)程序的需要即時分配，且分配的大小就是程序要求的大小。

分配和回收操作函數(shù)介紹：
malloc：動態(tài)內(nèi)存分配，用于在堆上申請一塊連續(xù)的指定大小的內(nèi)存區(qū)域，但是并沒有初始化。
calloc:則將初始化這部分的內(nèi)存,設(shè)置為0. calloc = malloc + memset（初始化工作）。
alloca:是向棧申請內(nèi)存,因此無需釋放。
realloc:則對malloc申請的內(nèi)存進行大小的調(diào)整。
(注：這四個函數(shù)都是由free來釋放內(nèi)存。)

new :new 基于 malloc，卻又高于malloc，是它的一個提升版本。首先new不是庫函數(shù)，它是一個關(guān)鍵字，通過new操作符申請的內(nèi)存都在自由存儲區(qū)，且不需要指定內(nèi)存塊大小。內(nèi)存分配失敗時，會拋出bac_alloc異常，而不是返回一個NULL等等。new是通過delete來釋放內(nèi)存，它同樣也是一個關(guān)鍵字。

6.2.2 Java進程
從之前寫的系統(tǒng)啟動流程中我們了解了，zygote是java進程的鼻祖，它通過了Runtime啟動了虛擬機，并通過fork，把虛擬機作為環(huán)境帶給了每一個應(yīng)用進程。虛擬機的設(shè)計除了提供跨平臺能力之外，也提供了對象生命周期的管理，內(nèi)存管理，線程管理，安全和異常的管理等統(tǒng)一的處理方案。

1）內(nèi)存區(qū)域劃分
這部分之前文章有總結(jié)：，如下是JVM內(nèi)存劃分模型，其實Dalvik和ART都一樣，就是Heap的space結(jié)構(gòu)會有區(qū)別：

JVM內(nèi)存劃分模型

程序計數(shù)器：是一塊較小的線程私有的內(nèi)存空間，用來記錄正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令，以此來記錄當(dāng)前線程的運行狀態(tài)；它是一個指針，指向執(zhí)行引擎正在執(zhí)行的指令的地址。
虛擬機棧：棧是一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域，大小是由操作系統(tǒng)預(yù)定好的（2M左右），它是先進后出的隊列，進出一一對應(yīng)，不產(chǎn)生碎片，運行效率穩(wěn)定高。局部變量的基本數(shù)據(jù)類型和引用存儲于棧中，因為它們屬于方法中的變量，生命周期隨方法而結(jié)束。
本地方法棧：針對Native方法的，功能與虛擬機棧一致。
靜態(tài)存儲區(qū)（方法區(qū)）：內(nèi)存在程序編譯的時候就已經(jīng)分配好，這塊內(nèi)存在程序整個運行期間都存在。它主要存放靜態(tài)數(shù)據(jù)、全局static數(shù)據(jù)和包含常量池。
堆：堆是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域（因為系統(tǒng)是用鏈表來存儲空閑內(nèi)存地址，自然不是連續(xù)的），堆大小受限于計算機系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存（32bit系統(tǒng)理論上是4G），所以堆的空間比較靈活，比較大。對于堆，頻繁的分配和回收內(nèi)存會造成大量內(nèi)存碎片，使程序效率降低。堆內(nèi)存用于存放引用的對象實體、成員變量全部存儲于堆中（包括基本數(shù)據(jù)類型，引用和引用的對象實體，因為它們屬于類，類對象終究是要被new出來使用的）。

Java內(nèi)存玩的就是虛擬機劃分的一畝三分地，而大小是由系統(tǒng)設(shè)置的，內(nèi)存的分配與回收都是虛擬機負責(zé)的。申請的內(nèi)存超過了一畝三分地就會oom，內(nèi)存不足會觸發(fā)gc，而gc又分串行g(shù)c與并行g(shù)c，art虛擬機優(yōu)化了gc環(huán)節(jié)，大大縮短了全線程block的時長，但是如果明顯的內(nèi)存抖動還是會造成卡頓問題。

好了，虛擬機內(nèi)存管理暫時不分析了，之后有機會再單獨開系列來分析，內(nèi)存管理基礎(chǔ)暫時就寫這么多，歇了。

參考：
https://blog.csdn.net/jasonchen_gbd/article/details/79462014
http://www.wowotech.net/memory_management/233.html
https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-pagerecycle/
https://www.cnblogs.com/fah936861121/p/6878699.html
https://blog.csdn.net/Luoshengyang/article/details/42492621
https://blog.csdn.net/Luoshengyang/article/details/42555483