基于統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)測的低內(nèi)存進(jìn)程管理算法

姜 艷，曾學(xué)文，孫 鵬

（1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所國家網(wǎng)絡(luò)新媒體工程技術(shù)研究中心，北京100190）

0 引 言

嵌入式操作系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，帶動了一系列新產(chǎn)品的繁榮，如智能手機(jī)、平板電腦、智能電視等［1，2］。低內(nèi)存進(jìn)程管理算法能夠在有限的嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存［3－5］中，駐留較多應(yīng)用，從而加快應(yīng)用切換速度，并避免出現(xiàn)內(nèi)存不足現(xiàn)象。目前，較為經(jīng)典和使用廣泛的基于低內(nèi)存的進(jìn)程管理主要有Linux的 OOM Killer （out of memory killer）算法［6］和Android的LMK （low memory killer）算法［7］。但這兩種算法只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定算法的閾值，缺乏預(yù)測機(jī)制，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存的剩余量達(dá)到閾值時(shí)就開始關(guān)閉應(yīng)用，使得嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存沒有得到充分利用。本文對LMK算法進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，提出一種基于統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)測的低內(nèi)存進(jìn)程管理算法 （LMK－SAP）。該算法以LMK查詢系統(tǒng)內(nèi)存狀態(tài)的時(shí)間窗口為單位，預(yù)測下一時(shí)間窗口內(nèi)各類型進(jìn)程內(nèi)存增量，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前可用內(nèi)存支持的進(jìn)程等級和進(jìn)程數(shù)，選擇合適的進(jìn)程關(guān)閉順序。該算法避免盲目關(guān)閉過多進(jìn)程，使內(nèi)存得到高效利用；在內(nèi)存中保存更多應(yīng)用，提高應(yīng)用切換速度；同時(shí)對系統(tǒng)應(yīng)用由于內(nèi)存不足而崩潰具有一定預(yù)防作用。

1 Android的LMK算法

在傳統(tǒng)的Linux操作系統(tǒng)中，只有發(fā)生內(nèi)存不足時(shí)，才會觸發(fā)OOM Killer使用一系列啟發(fā)算法挑選某個(gè)進(jìn)程將其關(guān)閉，從而獲得部分內(nèi)存。它具有兩個(gè)明顯的不足：①反應(yīng)滯后，該算法被觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)中已經(jīng)出現(xiàn)OOM現(xiàn)象，嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)；②該算法結(jié)束的進(jìn)程很有可能是用戶或／和系統(tǒng)不希望關(guān)閉的。為了克服這兩個(gè)缺點(diǎn)，LMK算法對OOM Killer算法進(jìn)行了補(bǔ)充和優(yōu)化，它為了盡量減少應(yīng)用崩潰而引進(jìn)低內(nèi)存機(jī)制，對內(nèi)存不足現(xiàn)象具有初步預(yù)測的能力：一是可以預(yù)先在系統(tǒng)低內(nèi)存狀態(tài)時(shí)，判斷是否需要提前關(guān)閉部分進(jìn)程，而盡量避免發(fā)生內(nèi)存不足現(xiàn)象；二是從用戶體驗(yàn)角度出發(fā)，劃分進(jìn)程類型，根據(jù)低內(nèi)存閾值選擇合理的進(jìn)程關(guān)閉順序。

1.1 進(jìn)程劃分機(jī)制

為避免盲目殺死重要進(jìn)程，Android操作系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級將其分為五類，分別為：前臺進(jìn)程 （foreground）、可見進(jìn)程 （visible）、服務(wù)進(jìn)程（service）、后臺進(jìn)程（background）、空進(jìn)程 （empty）。

1.2 進(jìn)程選擇算法

LMK算法根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)剩余空閑內(nèi)存所處低內(nèi)存閾值而選擇殺死Bad進(jìn)程，從而獲得空閑內(nèi)存。Bad進(jìn)程的選擇標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)：oom＿adj和占用內(nèi)存的大小。LMK為每一類的進(jìn)程設(shè)置了lowmem＿adj和警戒內(nèi)存閾值lowmem＿minfree，如以下代碼所示。同時(shí)，每個(gè)進(jìn)程都有oom＿adj值。Oom＿adj和lowmem＿adj值越小的進(jìn)程優(yōu)先級越高，越不容易被殺死。Android Kernel定時(shí)檢查當(dāng)前空閑內(nèi)存是否低于某個(gè)警戒內(nèi)存閾值，如果是，則根據(jù)lowmem＿minfree和lowmem＿adj確定需要?dú)⑺肋M(jìn)程的min＿adj值；然后遍歷所有進(jìn)程的oom＿adj值，找到oom＿adj值最大且大于min＿adj的進(jìn)程，若找到多個(gè)，則殺死占用內(nèi)存最多的進(jìn)程；LMK算法流程圖如圖1所示。

static int lowmem＿adj［6］＝ ｛0，1，6，12，｝；

static size＿t lowmem＿minfree［6］＝ ｛3＊512，2＊1024，4＊1024，16＊1024，｝；

1.3 LMK算法的不足

LMK算法同樣存在不足，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是關(guān)閉某個(gè)進(jìn)程后，有可能仍無法滿足系統(tǒng)下一窗口時(shí)間內(nèi)的內(nèi)存需求，尤其是無法適應(yīng)窗口時(shí)間內(nèi)存增量較大的進(jìn)程；二是LMK算法為了盡量避免出現(xiàn)以上問題，而預(yù)留過多空閑內(nèi)存，體現(xiàn)為內(nèi)存閾值最小值仍較大，造成內(nèi)存浪費(fèi)。在對LMK算法深入分析后可知，引起這兩個(gè)問題的主要原因是低內(nèi)存閾值的確立缺乏依據(jù)，每次關(guān)閉的進(jìn)程與系統(tǒng)剩余可用內(nèi)存之間缺乏明確的關(guān)系。因此，本文重點(diǎn)研究低內(nèi)存閾值的選取和動態(tài)調(diào)節(jié)。

圖1 LMK算法流程

2 LMK－SAP算法

LMK－SAP算法以時(shí)間窗口為單位記錄和預(yù)測內(nèi)存增量，而窗口內(nèi)的內(nèi)存可能取到的數(shù)值，數(shù)量巨大，不便于統(tǒng)計(jì)和預(yù)測，因此LMK－SAP算法首先對內(nèi)存值進(jìn)行量化。實(shí)際應(yīng)用的內(nèi)存使用貌似雜亂無章，但其模式仍然有一定的規(guī)律可循［8］，尤其在智能手機(jī)、電視等嵌入式產(chǎn)品中，各應(yīng)用用途固定，且用戶使用習(xí)慣相對穩(wěn)定。在同一應(yīng)用中，如果用戶操作流程一致，其內(nèi)存使用的規(guī)律性更加明顯。因此，本文通過統(tǒng)計(jì)進(jìn)程的內(nèi)存使用歷史記錄，基于條件概率［9，10］，計(jì)算量化后每個(gè)可能出現(xiàn)的內(nèi)存增量的概率，選取最有可能的值作為下一個(gè)時(shí)間段應(yīng)用的內(nèi)存增量，并根據(jù)Android的進(jìn)程劃分依據(jù)，為關(guān)閉進(jìn)程提供內(nèi)存參考值，從待選進(jìn)程中選擇占用內(nèi)存最大的進(jìn)程進(jìn)行關(guān)閉，有效地提高了系統(tǒng)內(nèi)存中駐留的進(jìn)程數(shù)，縮短了進(jìn)程切換時(shí)間。

2.1 內(nèi)存窗口增量量化

根據(jù)實(shí)際嵌入式系統(tǒng)中為每個(gè)進(jìn)程限制的內(nèi)存最大值，設(shè)計(jì)量化階數(shù)J?？紤]到增量的正負(fù)問題，內(nèi)存窗口增量值量化為2J種可能，分別表示為±H1、…、±Hj、…、±HJ。而一般內(nèi)存分配以2的冪次方為單位，因此本文以2的冪次方對內(nèi)存進(jìn)行量化。H1＝28B，H2＝29B，……，HJ＝ （2J＋7）B。如，內(nèi)存增量值M在［ 0，28）范圍內(nèi)的j取1，以此類推，可由式 （1）計(jì)算所屬階數(shù)j

對于一般手機(jī)系統(tǒng)，為一個(gè)進(jìn)程默認(rèn)設(shè)置最大內(nèi)存值為一般16MB或32MB。以32MB為例，J＝18。

2.2 內(nèi)存模式分類

LMK－SAP算法的設(shè)計(jì)主要基于內(nèi)存使用存在規(guī)律性這一認(rèn)識。早在1995年，Wilson等人就曾指出實(shí)際應(yīng)用的行為并非隨機(jī)的——它們被設(shè)計(jì)來解決實(shí)際問題，選擇的解決問題的方法對內(nèi)存使用的模式具有很大的影響；他將內(nèi)存使用分為3種模式：Ramps，緩慢上升；Peaks，急速上升；Plateaus，持平。如圖2所示，Ramps模式下內(nèi)存增量同樣緩慢上升，Peaks模式下內(nèi)存增量急速上升，Plat－eaus模式下內(nèi)存增量基本為零。同時(shí)，Wilson等人指出應(yīng)用內(nèi)存的使用往往是上面3種模式的組合。

圖2 應(yīng)用內(nèi)存使用模式

2.3 進(jìn)程內(nèi)存增量預(yù)測

記錄某進(jìn)程的前n－1個(gè)窗口內(nèi)內(nèi)存增量值，n＞0。預(yù)測第n個(gè)窗口的內(nèi)存增量的問題，可以轉(zhuǎn)化為，在量化后的J種內(nèi)存增量值中，預(yù)測出現(xiàn)概率最大的內(nèi)存值。對該問題建立模型，其中使用的參數(shù)說明如下：

W：時(shí)間窗口，即以W時(shí)間為單位劃分時(shí)間。

Sa：表示a進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，一連串特定順序排列的相鄰n個(gè)W時(shí)間的內(nèi)存增加量，同樣的，若無特別強(qiáng)調(diào)某個(gè)進(jìn)程，可簡寫為S。S可以表示為時(shí)間序列 Mi＋1，Mi＋2，Mi＋3，…，Mi＋n。其中，Mi＋k表示進(jìn)程運(yùn)行后第（i＋k）個(gè)W時(shí)間窗口內(nèi)的內(nèi)存增加量。簡單起見，以下由Mx代替Mi＋x。

從概率角度分析，當(dāng) Mn＝m（m屬于量化值H1、H2、…、Hj、…、HJ）時(shí)，使得序列 S＝（M1，M2，……，Mn）的概率最大，意味著在內(nèi)存序列M1，M2，…，Mn－1的條件下，下一窗口m出現(xiàn)的可能性最大。因此，計(jì)算下一個(gè)窗口的內(nèi)存增加量，就是計(jì)算使得P（S）最大的Mn值。根據(jù)條件概率公式，S序列出現(xiàn)的概率為

式中：P（M1）——進(jìn)程運(yùn)行后第1個(gè)W時(shí)間（實(shí)際為第i＋1個(gè)W時(shí)間，以下同理）增加的內(nèi)存量為M1的概率；P（M2｜M1）是在已知第1個(gè)W時(shí)間增加的內(nèi)存量為M1的前提下，第2個(gè)W時(shí)間增加的內(nèi)存量為M2的概率；以次類推。不難看出，下一W時(shí)間段內(nèi)Mn的出現(xiàn)概率取決于它前面所有內(nèi)存值概率。為簡化計(jì)算量，本研究采用馬爾可夫假設(shè)［11］，假定任意W時(shí)間的內(nèi)存增加量Mi的出現(xiàn)概率只同它前面的內(nèi)存量 Mi－1有關(guān)，將式（1）S出現(xiàn)的概率改寫為

式（2）右側(cè)的概率值可以通過統(tǒng)計(jì)進(jìn)程過去運(yùn)行結(jié)果計(jì)算求出。記錄進(jìn)程每次運(yùn)行時(shí)，窗口時(shí)間內(nèi)每個(gè)量化后內(nèi)存增量值出現(xiàn)的次數(shù)，C（x），x＝±1，±2，…，±J。同時(shí)，在二維表（如圖3所示）中記錄該進(jìn)程在每個(gè)量化階數(shù)間轉(zhuǎn)移次數(shù)，橫、縱坐標(biāo)分別表示i時(shí)刻窗口和i＋1時(shí)刻窗口增加的內(nèi)存階數(shù)，表內(nèi)數(shù)據(jù)為該轉(zhuǎn)移發(fā)生的次數(shù)。

利用C（x）和圖3，可求得式（3）右側(cè)的概率值

將式 （4）和式 （5）帶入式 （3）即可求得P（S）。由于前n－1個(gè)窗口內(nèi)存值已知，因此只需求解J種可能情況的P（S），選取概率最大的情況下的Mn值作為第n個(gè)窗口的預(yù)測值。

2.4 低內(nèi)存閾值的確定

根據(jù)2.3節(jié)算法，可以預(yù)測得知當(dāng)前進(jìn)程下一窗口所需內(nèi)存值，從而對前臺進(jìn)程（F）、可見進(jìn)程（V）、服務(wù)進(jìn)程（S）、后臺進(jìn)程（B）、空進(jìn)程（E）分別求和計(jì)算得 Mn（F）、Mn（V）、Mn（S）、Mn（B）、Mn（E）。同時(shí)，為了防止預(yù)測值低于真實(shí)值而增加OOM發(fā)生的可能，預(yù)留部分少量內(nèi)存空間Mr。因此，lowmem＿adj［6］可補(bǔ)充為6個(gè)取值，低內(nèi)存閾值lowmem＿minfree［6］定義如下：

圖3 量化階數(shù)間轉(zhuǎn)移次數(shù)

size＿t lowmem＿minfree［6］＝｛

Mr；

Mr＋Mn（F）；

Mr＋Mn（F）＋Mn（V）；

Mr＋Mn（F）＋Mn（V）＋Mn（S）；

Mr＋Mn（F）＋Mn（V）＋Mn（S）＋Mn（B）；

Mr＋Mn（F）＋Mn（V）＋Mn（S）＋Mn（B）＋Mn（E）；

｝

2.5 LMK－SAP算法描述

LMK－SAP算法的運(yùn)行過程如下：

（1）首先預(yù)測每個(gè)進(jìn)程的下一時(shí)間的窗口內(nèi)存增量，詳細(xì)步驟包括：

1）獲取該進(jìn)程當(dāng)前窗口的內(nèi)存增量值M；

2）將內(nèi)存增量值M按照量化表量化為Mi；

3）更新內(nèi)存增量統(tǒng)計(jì)值，并根據(jù)之前的內(nèi)存值更新轉(zhuǎn)移概率表；

4）根據(jù)式 （3）逐一計(jì)算每個(gè)可能值的概率；

5）選擇概率最大的值作為下一個(gè)窗口的內(nèi)存增量預(yù)測值；

（2）分別求出各種類型進(jìn)程的內(nèi)存增量值；

（3）根據(jù)上一節(jié)的方法更新各種類型進(jìn)程的低內(nèi)存閾值；

（4）執(zhí)行LMK算法，關(guān)閉相應(yīng)進(jìn)程。

預(yù)測算法和LMK－SAP算法的偽代碼，分別實(shí)現(xiàn)如下：

／＊預(yù)測進(jìn)程的下一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)的內(nèi)存增量＊／

Predict＿NextMemSize（task＿struct p）

｛

／＊獲取當(dāng)前時(shí)間窗口內(nèi)內(nèi)存大小＊／

current＿memsize＝Get＿memsize（p）；

／＊獲取量化值＊／

qua＿memsize＝quantized＿value（current＿memsize）；

／＊獲取進(jìn)程p對應(yīng)的轉(zhuǎn)移概率表＊／

tableinfo＝Get＿protabelinfo （p）；

／＊更新進(jìn)程p對應(yīng)的轉(zhuǎn)移概率表信息＊

Update＿protableinfo （qua＿memsize，tableinfo）；

／＊初始化概率值和預(yù)測內(nèi)存值＊／

max＿pro＝0，targetM＝0

／＊逐一計(jì)算每個(gè)可能值的概率＊／

for（i＝0；i＜＝N－1；i＋＋）

｛

／＊計(jì)算Mi的概率值＊／

curr＿pro＝Cal＿probability （M ［i］，tableinfo）；

if（curr＿pro＞ max＿pro）

｛

max＿pro＝curr＿pro；

targetM＝M ［i］；

｝

｝

return targetM；

｝

／＊LMK－SAP算法實(shí)現(xiàn)＊／

LMK＿SAP＿Thread（）

｛

Lasttime＝0，Nowtime＝0；

while （1）

｛

／＊每隔differtime檢測一次系統(tǒng)的內(nèi)存值，選擇需要關(guān)閉的進(jìn)程＊／

if（Nowtime–Lasttime＞differtime）

｛

Lasttime＝Nowtime；

for＿each＿process （p）

｛

nextmemsize＝ Predict＿NextMemSize（p）；

／＊獲取p所對應(yīng)的進(jìn)程類型＊／

Ptype＝ Get＿processtype （p）；

／＊將p對應(yīng)的內(nèi)存增量值加入到進(jìn)程類型＊／

Mn ［Ptype］＋＝nextmemsize；

｝

／＊根據(jù)Mn值和系統(tǒng)剩余內(nèi)存計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)對應(yīng)的adj

值＊／

sys＿adj＝Cal＿oomadj（Mn ［］）；

／＊根據(jù)sys＿adj值選擇需要關(guān)閉的進(jìn)程＊／

selected＝Select＿process （sys＿adj）；

if （selected）

close （selected）；

｝

｝

｝

3 性能仿真分析

為了驗(yàn)證LMK－SAP算法的性能，設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用嵌入式Android機(jī)頂盒，其Android版本為Android 4.0，Linux內(nèi)核版本為3.0.8，CPU 為800MHz，內(nèi)存為1GBytes，LMK－SAP算法中的時(shí)間窗口為1s。

第一組實(shí)驗(yàn)用以驗(yàn)證本文提出的應(yīng)用內(nèi)存預(yù)測算法的準(zhǔn)確性，在機(jī)頂盒上運(yùn)行一個(gè)基于Web HTML5技術(shù)開發(fā)的在線視頻應(yīng)用，通過隨機(jī)按鍵的方式模擬應(yīng)用操作，定時(shí)監(jiān)測該應(yīng)用的內(nèi)存占用量情況，對比算法預(yù)測出的下一個(gè)時(shí)間窗口的內(nèi)存量與應(yīng)用實(shí)際占用的內(nèi)存量，整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)12個(gè)小時(shí)。本文采用平均誤差率來衡量預(yù)測算法的精確度，平均誤差率即為所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)上誤差率的平均值，其計(jì)算公式如下其中n為數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，p（i）為i時(shí)刻的預(yù)測值，r（i）為i時(shí)刻的實(shí)際值。圖4給出了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的一段時(shí)間結(jié)果 （約20分鐘）。

本次實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)的平均誤差率為11%，從圖中不難看出，LMK－SAP的內(nèi)存預(yù)測算法在絕大數(shù)據(jù)情況下能夠預(yù)測應(yīng)用所需的內(nèi)存量，因此可以根據(jù)該算法預(yù)測系統(tǒng)下一時(shí)刻的內(nèi)存需求，將其作為LMK－SAP設(shè)定閾值的標(biāo)準(zhǔn)。

第二組實(shí)驗(yàn)用以對比Android的LMK算法和LMKSAP算法的內(nèi)存駐留應(yīng)用數(shù)，內(nèi)存中能夠駐留的應(yīng)用數(shù)越多表明下一次切換到該應(yīng)用的所需時(shí)間越短。通過在機(jī)頂盒中內(nèi)置50個(gè)應(yīng)用，每隔10秒鐘隨機(jī)選取一個(gè)應(yīng)用運(yùn)行，當(dāng)新應(yīng)用運(yùn)行時(shí)原前臺應(yīng)用進(jìn)入后臺運(yùn)行。圖5中給出了系統(tǒng)運(yùn)行LMK算法和LMK－SAP算法的內(nèi)存駐留應(yīng)用數(shù)的對比。

在本次試驗(yàn)中，LMK－SAP算法使得系統(tǒng)中駐留的進(jìn)程數(shù)目相比于LMK算法平均提高了約56%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與LMK算法相比，LMK－SAP算法能夠提高駐留在內(nèi)存中的應(yīng)用數(shù)，加快應(yīng)用再次加載時(shí)的速度，減少應(yīng)用切換時(shí)間，從而提升多應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境下的用戶體驗(yàn)。

4 結(jié)束語

隨著嵌入式智能操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，低內(nèi)存進(jìn)程管理作為影響系統(tǒng)性能重要方面，得到廣泛的重視。尤其是，LMK算法的提出，使得嵌入式智能操作系統(tǒng)中應(yīng)用的切換速度和內(nèi)存利用率有了新的突破。本文針對LMK算法的不足提出LMK－SAP算法，分析程序使用內(nèi)存的特點(diǎn)，預(yù)測進(jìn)程內(nèi)存增量，動態(tài)調(diào)節(jié)內(nèi)存閾值，關(guān)閉進(jìn)程釋放內(nèi)存。該算法避免了LMK算法中閾值選取相對固定且僅以經(jīng)驗(yàn)值為依據(jù)的缺點(diǎn)，可以保證更多應(yīng)用駐留在內(nèi)存中，從而提高了內(nèi)存利用率并加快了應(yīng)用切換速度。本文下一步的研究重點(diǎn)是，進(jìn)一步降低算法的計(jì)算復(fù)雜度，提高進(jìn)程內(nèi)存增量的預(yù)測準(zhǔn)確度。

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