Linux OOM killer 与相关参数详解

2022-10-24 14:22:35

一、前言

本文是描述Linux virtual memory运行参数的第二篇，主要是讲OOM相关的参数的。为了理解OOM参数，第二章简单的描述什么是OOM。如果这个名词对你毫无压力，你可以直接进入第三章，这一章是描述具体的参数的，除了描述具体的参数，我们引用了一些具体的内核代码，本文的代码来自4.0内核，如果有兴趣，可以结合代码阅读，为了缩减篇幅，文章中的代码都是删减版本的。按照惯例，最后一章是参考文献，本文的参考文献都是来自linux内核的Documentation目录，该目录下有大量的文档可以参考，每一篇都值得细细品味。

二、什么是OOM

OOM就是out of memory的缩写，虽然linux kernel有很多的内存管理技巧（从cache中回收、swap out等）来满足各种应用空间的vm内存需求，但是，当你的系统配置不合理，让一匹小马拉大车的时候，linux kernel会运行非常缓慢并且在某个时间点分配page frame的时候遇到内存耗尽、无法分配的状况。应对这种状况首先应该是系统管理员，他需要首先给系统增加内存，不过对于kernel而言，当面对OOM的时候，咱们也不能慌乱，要根据OOM参数来进行相应的处理。

三、OOM参数

1、panic_on_oom

当kernel遇到OOM的时候，可以有两种选择：

（1）产生kernel panic（就是死给你看）。

（2）积极面对人生，选择一个或者几个最“适合”的进程，启动OOM killer，干掉那些选中的进程，释放内存，让系统勇敢的活下去。

panic_on_oom这个参数就是控制遇到OOM的时候，系统如何反应的。当该参数等于0的时候，表示选择积极面对人生，启动OOM killer。当该参数等于2的时候，表示无论是哪一种情况，都强制进入kernel panic。panic_on_oom等于其他值的时候，表示要区分具体的情况，对于某些情况可以panic，有些情况启动OOM killer。kernel的代码中，enum oom_constraint 就是一个进一步描述OOM状态的参数。系统遇到OOM总是有各种各样的情况的，kernel中定义如下：

enum oom_constraint {
    CONSTRAINT_NONE,
    CONSTRAINT_CPUSET,
    CONSTRAINT_MEMORY_POLICY,
    CONSTRAINT_MEMCG,
};

对于UMA而言， oom_constraint永远都是CONSTRAINT_NONE，表示系统并没有什么约束就出现了OOM，不要想太多了，就是内存不足了。在NUMA的情况下，有可能附加了其他的约束导致了系统遇到OOM状态，实际上，系统中还有充足的内存。这些约束包括：

（1）CONSTRAINT_CPUSET。cpusets是kernel中的一种机制，通过该机制可以把一组cpu和memory node资源分配给特定的一组进程。这时候，如果出现OOM，仅仅说明该进程能分配memory的那个node出现状况了，整个系统有很多的memory node，其他的node可能有充足的memory资源。

（2）CONSTRAINT_MEMORY_POLICY。memory policy是NUMA系统中如何控制分配各个memory node资源的策略模块。用户空间程序（NUMA-aware的程序）可以通过memory policy的API，针对整个系统、针对一个特定的进程，针对一个特定进程的特定的VMA来制定策略。产生了OOM也有可能是因为附加了memory policy的约束导致的，在这种情况下，如果导致整个系统panic似乎有点不太合适吧。

（3）CONSTRAINT_MEMCG。MEMCG就是memory control group，Cgroup这东西太复杂，这里不适合多说，Cgroup中的memory子系统就是控制系统memory资源分配的控制器，通俗的将就是把一组进程的内存使用限定在一个范围内。当这一组的内存使用超过上限就会OOM，在这种情况下的OOM就是CONSTRAINT_MEMCG类型的OOM。

OK，了解基础知识后，我们来看看内核代码。内核中sysctl_panic_on_oom变量是和/proc/sys/vm/panic_on_oom对应的，主要的判断逻辑如下：

void check_panic_on_oom(enum oom_constraint constraint, gfp_t gfp_mask,
            int order, const nodemask_t *nodemask)
{
    if (likely(!sysctl_panic_on_oom))－－－－0表示启动OOM killer，因此直接return了
        return;
    if (sysctl_panic_on_oom != 2) {－－－－2是强制panic，不是2的话，还可以商量
        if (constraint != CONSTRAINT_NONE)－－－在有cpuset、memory policy、memcg的约束情况下
            return;                                                  的OOM，可以考虑不panic，而是启动OOM killer
    }
    dump_header(NULL, gfp_mask, order, NULL, nodemask);
    panic("Out of memory: %s panic_on_oom is enabled\n",
        sysctl_panic_on_oom == 2 ? "compulsory" : "system-wide");－－－死给你看啦
}

2、oom_kill_allocating_task

当系统选择了启动OOM killer，试图杀死某些进程的时候，又会遇到这样的问题：干掉哪个，哪一个才是“合适”的哪那个进程？系统可以有下面的选择：

（1）谁触发了OOM就干掉谁

（2）谁最“坏”就干掉谁

oom_kill_allocating_task这个参数就是控制这个选择路径的，当该参数等于0的时候选择（2），否则选择（1）。具体的代码可以在参考__out_of_memory函数，具体如下：

static void __out_of_memory(struct zonelist *zonelist, gfp_t gfp_mask,
int order, nodemask_t *nodemask, bool force_kill) {

……
check_panic_on_oom(constraint, gfp_mask, order, mpol_mask);

    if (sysctl_oom_kill_allocating_task && current->mm &&
        !oom_unkillable_task(current, NULL, nodemask) &&
        current->signal->oom_score_adj != OOM_SCORE_ADJ_MIN) {
        get_task_struct(current);
        oom_kill_process(current, gfp_mask, order, 0, totalpages, NULL,
                 nodemask, "Out of memory (oom_kill_allocating_task)");
        goto out;
    }

……
}

当然也不能说杀就杀，还是要考虑是否用户空间进程（不能杀内核线程）、是否unkillable task（例如init进程就不能杀），用户空间是否通过设定参数（oom_score_adj）阻止kill该task。如果万事俱备，那么就调用oom_kill_process干掉当前进程。

3、oom_dump_tasks

当系统的内存出现OOM状况，无论是panic还是启动OOM killer，做为系统管理员，你都是想保留下线索，找到OOM的root cause，例如dump系统中所有的用户空间进程关于内存方面的一些信息，包括：进程标识信息、该进程使用的total virtual memory信息、该进程实际使用物理内存（我们又称之为RSS，Resident Set Size，不仅仅是自己程序使用的物理内存，也包含共享库占用的内存），该进程的页表信息等等。拿到这些信息后，有助于了解现象（出现OOM）之后的真相。

当设定为0的时候，上一段描述的各种进程们的内存信息都不会打印出来。在大型的系统中，有几千个进程，逐一打印每一个task的内存信息有可能会导致性能问题（要知道当时已经是OOM了）。当设定为非0值的时候，在下面三种情况会调用dump_tasks来打印系统中所有task的内存状况：

（1）由于OOM导致kernel panic

（2）没有找到适合的“bad”process

（3）找适合的并将其干掉的时候

4、oom_adj、oom_score_adj和oom_score

准确的说这几个参数都是和具体进程相关的，因此它们位于/proc/xxx/目录下（xxx是进程ID）。假设我们选择在出现OOM状况的时候杀死进程，那么一个很自然的问题就浮现出来：到底干掉哪一个呢？内核的算法倒是非常简单，那就是打分（oom_score，注意，该参数是read only的），找到分数最高的就OK了。那么怎么来算分数呢？可以参考内核中的oom_badness函数：

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

    adj = (long)p->signal->oom_score_adj;
    if (adj == OOM_SCORE_ADJ_MIN) {－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（1）
        task_unlock(p);
        return 0;－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（2）
    }

    points = get_mm_rss(p->mm) + get_mm_counter(p->mm, MM_SWAPENTS) +
        atomic_long_read(&p->mm->nr_ptes) + mm_nr_pmds(p->mm);－－－－－－－－－（3）
    task_unlock(p);

if (has_capability_noaudit(p, CAP_SYS_ADMIN))－－－－－－－－－－－－－－－－－（4）
points -= (points * 3) / 100;

    adj *= totalpages / 1000;－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－（5）
    points += adj;
    return points > 0 ? points : 1;
}

（1）对某一个task进行打分（oom_score）主要有两部分组成，一部分是系统打分，主要是根据该task的内存使用情况。另外一部分是用户打分，也就是oom_score_adj了，该task的实际得分需要综合考虑两方面的打分。如果用户将该task的 oom_score_adj设定成OOM_SCORE_ADJ_MIN（-1000）的话，那么实际上就是禁止了OOM killer杀死该进程。

（2）这里返回了0也就是告知OOM killer，该进程是“good process”，不要干掉它。后面我们可以看到，实际计算分数的时候最低分是1分。

（3）前面说过了，系统打分就是看物理内存消耗量，主要是三部分，RSS部分，swap file或者swap device上占用的内存情况以及页表占用的内存情况。

（4）root进程有3%的内存使用特权，因此这里要减去那些内存使用量。

（5）用户可以调整oom_score，具体如何操作呢？oom_score_adj的取值范围是-1000～1000，0表示用户不调整oom_score，负值表示要在实际打分值上减去一个折扣，正值表示要惩罚该task，也就是增加该进程的oom_score。在实际操作中，需要根据本次内存分配时候可分配内存来计算（如果没有内存分配约束，那么就是系统中的所有可用内存，如果系统支持cpuset，那么这里的可分配内存就是该cpuset的实际额度值）。oom_badness函数有一个传入参数totalpages，该参数就是当时的可分配的内存上限值。实际的分数值（points）要根据oom_score_adj进行调整，例如如果oom_score_adj设定-500，那么表示实际分数要打五折（基数是totalpages），也就是说该任务实际使用的内存要减去可分配的内存上限值的一半。

了解了oom_score_adj和oom_score之后，应该是尘埃落定了，oom_adj是一个旧的接口参数，其功能类似oom_score_adj，为了兼容，目前仍然保留这个参数，当操作这个参数的时候，kernel实际上是会换算成oom_score_adj，有兴趣的同学可以自行了解，这里不再细述了。

四、参考文献

1、Documentation/vm/numa_memory_policy.txt

2、Documentation/sysctl/vm.txt

3、Documentation/cgroup/cpusets.txt

4、Documentation/cgroup/memory.txt

5、Documentation/filesystems/proc.txt

OOM killer

当物理内存和交换空间都被用完时，如果还有进程来申请内存，内核将触发OOM killer，其行为如下：

1.检查文件/proc/sys/vm/panic_on_oom，如果里面的值为2，那么系统一定会触发panic
2.如果/proc/sys/vm/panic_on_oom的值为1，那么系统有可能触发panic（见后面的介绍）
3.如果/proc/sys/vm/panic_on_oom的值为0，或者上一步没有触发panic，那么内核继续检查文件/proc/sys/vm/oom_kill_allocating_task
3.如果/proc/sys/vm/oom_kill_allocating_task为1，那么内核将kill掉当前申请内存的进程
4.如果/proc/sys/vm/oom_kill_allocating_task为0，内核将检查每个进程的分数，分数最高的进程将被kill掉（见后面介绍）

进程被kill掉之后，如果/proc/sys/vm/oom_dump_tasks为1，且系统的rlimit中设置了core文件大小，将会由/proc/sys/kernel/core_pattern里面指定的程序生成core dump文件，这个文件里将包含
pid, uid, tgid, vm size, rss, nr_ptes, nr_pmds, swapents, oom_score_adj
score, name等内容，拿到这个core文件之后，可以做一些分析，看为什么这个进程被选中kill掉。

这里可以看看ubuntu默认的配置：

#OOM后不panic
dev@ubuntu:~$ cat /proc/sys/vm/panic_on_oom
#OOM后kill掉分数最高的进程
dev@ubuntu:~$ cat /proc/sys/vm/oom_kill_allocating_task
#进程由于OOM被kill掉后将生成core dump文件
dev@ubuntu:~$ cat /proc/sys/vm/oom_dump_tasks
1
#默认max core file size是0，所以系统不会生成core文件
dev@ubuntu:~$ prlimit|grep CORE
CORE max core file size 0 unlimited blocks
#core dump文件的生成交给了apport，相关的设置可以参考apport的资料
dev@ubuntu:~$ cat /proc/sys/kernel/core_pattern
|/usr/share/apport/apport %p %s %c %P

参考：apport

panic_on_oom

正如上面所介绍的那样，该文件的值可以取0/1/2，0是不触发panlic，2是一定触发panlic，如果为1的话就要看mempolicy和cpusets，这篇不介绍这方面的内容。

panic后内核的默认行
为是死在那里，目的是给开发人员一个连上去debug的机会。但对于大多数应用层开发人员来说没啥用，倒是希望它赶紧重启。为了让内核panic后重启，可以修改文件/proc/sys/kernel/panic，里面表示的是panic多少秒后系统将重启，这个文件的默认值是0，表示永远不重启。

#设置panic后3秒重启系统
dev@ubuntu:~$ sudo sh -c "echo 3 > /proc/sys/kernel/panic"

调整分数

当oom_kill_allocating_task的值为0时（系统默认配置），系统会kill掉系统中分数最高的那个进程，这里的分数是怎么来的呢？该值由内核维护，并存储在每个进程的/proc/<pid>/oom_score文件中。

每个进程的分数受多方面的影响，比如进程运行的时间，时间越长表明这个程序越重要，所以分数越低；进程从启动后分配的内存越多，表示越占内存，分数会越高；这里只是列举了一两个影响分数的因素，实际情况要复杂的多，需要看内核代码，这里有篇文章可以参考：Taming the OOM killer

由于分数计算复杂，比较难控制，于是内核提供了另一个文件用来调控分数，那就是文件/proc/<pid>/oom_adj，这个文件的默认值是0，但它可以配置为-17到15中间的任何一个值，内核在计算了进程的分数后，会和这个文件的值进行一个计算，得到的结果会作为进程的最终分数写入/proc/<pid>/oom_score。计算方式大概如下：

如果/proc/<pid>/oom_adj的值为正数，那么分数将会被乘以2的n次方，这里n是文件里面的值
如果/proc/<pid>/oom_adj的值为负数，那么分数将会被除以2的n次方，这里n是文件里面的值

由于进程的分数在内核中是一个16位的整数，所以-17就意味着最终进程的分数永远是0，也即永远不会被kill掉。

当然这种控制方式也不是非常精确，但至少比没有强多了。

修改配置

上面的这些文件都可以通过下面三种方式来修改，这里以panic_on_oom为例做个示范：

直接写文件（重启后失效）

dev@ubuntu:~$ sudo sh -c "echo 2> /proc/sys/vm/panic_on_oom"

通过控制命令（重启后失效）

dev@dev:~$ sudo sysctl vm.panic_on_oom=2

修改配置文件（重启后继续生效）
1. #通过编辑器将vm.panic_on_oom=2添加到文件sysctl.conf中（如果已经存在，修改该配置项即可）
2. dev@dev:~$ sudo vim /etc/sysctl.conf
4. #重新加载sysctl.conf，使修改立即生效
5. dev@dev:~$ sudo sysctl -p

日志

一旦OOM killer被触发，内核将会生成相应的日志，一般可以在/var/log/messages里面看到，如果配置了syslog，日志可能在/var/log/syslog里面，这里是ubuntu里的日志样例

dev@dev:~$ grep oom /var/log/syslog
Jan 23 21:30:29 dev kernel: [ 490.006836] eat_memory invoked oom-killer: gfp_mask=0x24280ca, order=0, oom_score_adj=0
Jan 23 21:30:29 dev kernel: [ 490.006871] [<ffffffff81191442>] oom_kill_process+0x202/0x3c0

cgroup的OOM killer

除了系统的OOM killer之外，如果配置了memory cgroup，那么进程还将受到自己所属memory cgroup的限制，如果超过了cgroup的限制，将会触发cgroup的OOM killer，cgroup的OOM killer和系统的OOM killer行为略有不同，详情请参考Linux Cgroup系列（04）：限制cgroup的内存使用。

malloc

malloc是libc的函数，C/C++程序员对这个函数应该都很熟悉，它里面实际上调用的是内核的sbrk和mmap，为了避免频繁的调用内核函数和优化性能，它里面在内核函数的基础上实现了一套自己的内存管理功能。

既然内存不够时有OOM killer帮我们kill进程，那么这时调用的malloc还会返回NULL给应用进程吗？答案是不会，因为这时只有两种情况：

当前申请内存的进程被kill掉：都被kill掉了，返回什么都没有意义了
其它进程被kill掉：释放出了空闲的内存，于是内核就能给当前进程分配内存了

那什么时候我们调用malloc的时候会返回NULL呢，从malloc函数的帮助文件可以看出，下面两种情况会返回NULL：

使用的虚拟地址空间超过了RLIMIT_AS的限制
使用的数据空间超过了RLIMIT_DATA的限制，这里的数据空间包括程序的数据段，BSS段以及heap

关于虚拟地址空间和heap之类的介绍请参考Linux进程的内存使用情况，这两个参数的默认值为unlimited，所以只要不修改它们的默认配置，限制就不会被触发。有一种极端情况需要注意，那就是代码写的有问题，超过了系统的虚拟地址空间范围，比如32位系统的虚拟地址空间范围只有4G，这种情况下不确定系统会以一种什么样的方式返回错误。

rlimit

上面提到的RLIMIT_AS和RLIMIT_DATA都可以通过函数getrlimit和setrlimit来设置和读取，同时linux还提供了一个prlimit程序来设置和读取rlimit的配置。

prlimit是用来替代
ulimit的一个程序，除了能设置上面的那两个参数之外，还有其它的一些参数，比如core文件的大小。关于prlimit的用法请参考它的帮助文件。

#默认情况下，RLIMIT_AS和RLIMIT_DATA的值都是unlimited
dev@dev:~$ prlimit |egrep "DATA|AS"
AS address space limit unlimited unlimited bytes
DATA max data size unlimited unlimited bytes

测试代码

C语言的程序会受到libc的影响，可能在触发OOM killer之前就触发了segmentfault错误，如果要用C语言程序来测试触发OOM killer，一定要注意malloc的行为受MMAP_THRESHOLD影响，一次申请分配太多内存的话，malloc会调用mmap映射内存，从而不一定触发OOM killer，具体细节目前还不太清楚。这里是一个触发oom killer的例子，供参考：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#define M (1024 * 1024)
#define K 1024
int main(int argc, char *argv[])
{
char *p;
int size =0;
while(1) {
p = (char *)malloc(K);
if (p == NULL){
printf("memory allocate failed!\n");
return -1;
}
memset(p, 0, K);
size += K;
if (size%(100*M) == 0){
printf("%d00M memory allocated\n", size/(100*M));
sleep(1);
}
}
return 0;
}

结束语

对一个进程来说，内存的使用受多种因素的限制，可能在系统内存不足之前就达到了rlimit和memory cgroup的限制，同时它还可能受不同编程语言所使用的相关内存管理库的影响，就算系统处于内存不足状态，申请新内存也不一定会触发OOM killer，需要具体问题具体分析。

参考

转载自0：

https://blog.csdn.net/u011677209/article/details/52769225

https://blog.csdn.net/oDaiLiDong/article/details/81907752

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