细说｜Linux Out Of Memory机制

有时候我们可能会碰到系统中某个进程突然挂掉的情况，查看系统日志后发现是由于系统的 OOM（Out Of Memory）机制 触发导致的。

今天我们来讨论一下 OOM机制 是什么，以及如何防止进程因为 OOM机制 而被终止。

什么是OOM机制

OOM 是 Out Of Memory 的缩写，意味着系统内存不足。OOM机制 是指当系统内存不足时，系统采取的应急措施。

当 Linux 内核发现系统中的物理内存不足时，首先会尝试回收可回收内存，主要包括：

• 用于读写文件的页缓存。
• 为了性能而延迟释放的空闲 slab 内存页。

内核会优先释放这些内存页，因为它们的释放不会影响系统的正常运行，只是为了提升系统性能。

如果释放这些内存后仍然不足，内核将会采取什么措施呢？它会触发 OOM killer，杀掉占用内存最多的进程，以释放更多内存。以下是一个示意图：

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：

void pagefault_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：

void out_of_memory(struct zonelist *zonelist, gfp_t gfp_mask, int order,
                   nodemask_t *nodemask, bool force_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, "Out of memory");
        killed = 1;
    }
    ...
}

out_of_memory() 函数的逻辑比较简单，主要完成两个事情：

1. 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。
2. 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：

static struct task_struct *
select_bad_process(unsigned int *ppoints, unsigned long totalpages,
                   const nodemask_t *nodemask, bool force_kill)
{
    struct task_struct *g, *p;
    struct task_struct *chosen = NULL;
    unsigned long chosen_points = 0;
    ...

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

        // 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 continue;
        ...
        chosen = p;
        chosen_points = points;
    }
    ...

    return chosen;
}

select_bad_process() 函数的主要工作如下：

1. 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。
2. 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：

unsigned long
oom_badness(struct task_struct *p, struct mem_cgroup *memcg,
            const nodemask_t *nodemask, unsigned long totalpages)
{
    long points;
    long adj;

    // 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))
        return 0;
    ...

    // 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) {
        ...
        return 0;
    }

    // 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;

    return points > 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

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