细说Linux Out Of Memory机制

有时候我们会发现系统中某个进程会突然挂掉，通过查看系统日志发现是由于OOM机制导致进程被杀掉。

今天我们就来介绍一下什么是OOM机制以及怎么防止进程因为OOM机制而被杀掉。

什么是OOM机制

OOM是 Out Of Memory 的缩写，中文意思是内存不足。而OOM机制是指当系统内存不足时，系统触发的应急机制。

当 Linux 内核发现系统中的物理内存不足时，首先会对系统中的可回收内存进行回收，能够被回收的内存有如下：

读写文件时的页缓存。

为了性能而延迟释放的空闲 slab 内存页。

当系统内存不足时，内核会优先释放这些内存页。因为使用这些内存页只是为了提升系统的性能，释放这些内存页也不会影响系统的正常运行。

如果释放上述的内存后，还不能解决内存不足的情况，那么内核会如何处理呢？答案就是：触发OOM killer杀掉系统中占用内存最大的进程。如下图所示：

可以看出，OOM killer 是防止系统崩溃的最后一个手段，不到迫不得已的情况是不会触发的。

OOM killer 实现

接下来，我们分析一下内核是如何实现 OOM killer 的。

由于在 Linux 系统中，进程申请的都是虚拟内存地址。所以当程序调用malloc()申请内存时，如果虚拟内存空间足够的话，是不会触发 OOM 机制的。

当进程访问虚拟内存地址时，如果此虚拟内存地址还没有映射到物理内存地址的话，那么将会触发缺页异常。

在缺页异常处理例程中，将会申请新的物理内存页，并且将进程的虚拟内存地址映射到刚申请的物理内存。

如果在申请物理内存时，系统中的物理内存不足，那么内核将会回收一些能够被回收的文件页缓存。如果回收完后，物理内存还是不足的话，那么将会触发swapping机制（如果开启了的话）。

swapping机制会将某些进程不常用的内存页写入到交换区（硬盘分区或文件）中，然后释放掉这些内存页，从而达到缓解内存不足的情况。

如果通过上面的手段还不能解决内存不足的情况，那么内核将会调用pagefault_out_of_memory()函数来杀掉系统中占用物理内存最多的进程。

我们来看看pagefault_out_of_memory()函数的实现：

voidpagefault_out_of_memory(void)
{
...
out_of_memory(NULL,0,0,NULL,false);
...
}

可以看出，pagefault_out_of_memory()函数最终会调用out_of_memory()来杀死系统中占用内存最多的进程。

我们继续来看看out_of_memory()函数的实现：

voidout_of_memory(structzonelist*zonelist,gfp_tgfp_mask,intorder,
nodemask_t*nodemask,boolforce_kill)
{
...

//1.从系统中选择一个最坏(占用内存最多)的进程
p=select_bad_process(&points,totalpages,mpol_mask,force_kill);
...

//2.如果找到最坏的进程，那么调用oom_kill_process函数杀掉进程
if(p!=(void*)-1UL){
oom_kill_process(p,gfp_mask,order,points,totalpages,NULL,
nodemask,"Outofmemory");
killed=1;
}
...
}

out_of_memory()函数的逻辑比较简单，主要完成两个事情：

调用select_bad_process()函数从系统中选择一个最坏（占用物理内存最多）的进程。

如果找到最坏的进程，那么调用oom_kill_process()函数将此进程杀掉。

从上面的分析可知，找到最坏的进程是 OOM killer 最为重要的事情。

那么我们来看看select_bad_process()函数是怎样选择最坏的进程的：

staticstructtask_struct*
select_bad_process(unsignedint*ppoints,unsignedlongtotalpages,
constnodemask_t*nodemask,boolforce_kill)
{
structtask_struct*g,*p;
structtask_struct*chosen=NULL;
unsignedlongchosen_points=0;
...

//1.遍历系统中所有的进程和线程
for_each_process_thread(g,p){
unsignedintpoints;
...

//2.计算进程最坏分数值,选择分数最大的进程作为杀掉的目标进程
points=oom_badness(p,NULL,nodemask,totalpages);
if(!points||points< chosen_points)
            continue;
        ...
        chosen = p;
        chosen_points = points;
    }
    ...

    return chosen;
}

select_bad_process()函数的主要工作如下：

遍历系统中所有的进程和线程，并且调用oom_badness()函数计算进程的最坏分数值。

选择最坏分数值最大的进程作为被杀掉的目标进程。

所以，计算进程的最坏分数值就是 OOM killer 的核心工作。我们接着来看看oom_badness()函数是怎么计算进程的最坏分数值的：

unsignedlong
oom_badness(structtask_struct*p,structmem_cgroup*memcg,
constnodemask_t*nodemask,unsignedlongtotalpages)
{
longpoints;
longadj;

//1.如果进程不能被杀掉（init进程和内核进程是不能被杀的）
if(oom_unkillable_task(p,memcg,nodemask))
return0;
...

//2.我们可以通过/proc/{pid}/oom_score_adj文件来设置进程的被杀建议值，
//这个值越小，进程被杀的机会越低。如果设置为-1000时，进程将被禁止杀掉。
adj=(long)p->signal->oom_score_adj;
if(adj==OOM_SCORE_ADJ_MIN){
...
return0;
}

//3.统计进程使用的物理内存数
points=get_mm_rss(p->mm)
+atomic_long_read(&p->mm->nr_ptes)
+get_mm_counter(p->mm,MM_SWAPENTS);
...

//4.加上进程被杀建议值，得出最终的分数值
adj*=totalpages/1000;
points+=adj;

returnpoints>0?points:1;
}

oom_badness()函数主要按照以下步骤来计算进程的最坏分数值：

如果进程不能被杀掉（init进程和内核进程是不能被杀的），那么返回分数值为 0。

可以通过/proc/{pid}/oom_score_adj文件来设置进程的 OOM 建议值（取值范围为 -1000 ~ 1000）。建议值越小，进程被杀的机会越低。如果将其设置为 -1000 时，进程将被禁止杀掉。

统计进程使用的物理内存数，包括实际使用的物理内存、页表占用的物理内存和 swap 机制占用的物理内存。

最后加上进程的 OOM 建议值，得出最终的分数值。

通过oom_badness()函数计算出进程的最坏分数值后，系统就能从中选择一个分数值最大的进程杀死，从而解决内存不足的情况。

禁止进程被 OOM 杀掉

有时候，我们不希望某些进程被 OOM killer 杀掉。例如 MySQL 进程如果被 OOM killer 杀掉的话，那么可能导致数据丢失的情况。

那么如何防止进程被 OOM killer 杀掉呢？从上面的分析可知，在内核计算进程最坏分数值时，会加上进程的oom_score_adj（OOM建议值）值。如果将此值设置为-1000时，那么系统将会禁止 OOM killer 杀死此进程。

例如使用如下命令，将会禁止杀死 PID 为 2000 的进程：

$echo-1000>/proc/2000/oom_score_adj

这样，我们就能防止一些重要的进程被 OOM killer 杀死。

审核编辑：汤梓红