Ashmem(Android共享內(nèi)存)使用方法和原理

簡介

Ashmem即Android Shared Memory, 是Android提供的一種內(nèi)存共享的機(jī)制泽台。

使用

Java層借助MemoryFile或者SharedMemory矾缓。
Native層借助MemoryHeapBase或者MemoryBase嗜闻。
Native層直接調(diào)用libc的ashmem_create_region和mmap系統(tǒng)調(diào)用桅锄。

MemoryFile基于SharedMemory。 MemoryBase基于MemoryHeapBase友瘤。 SharedMemory、MemoryHeapBase都是基于ashmem_create_region/mmap束倍。

MemoryFile

MemoryFile是對SharedMemory的包裝盟戏，官方推薦直接使用SharedMemory。

Applications should generally prefer to use {@link SharedMemory} which offers more flexible access & control over the shared memory region than MemoryFile does.

SharedMemory

SharedMemory只能通過調(diào)用SharedMemory.create靜態(tài)方法或者通過Parcel反序列化的方式進(jìn)行創(chuàng)建邮旷。 SharedMemory的創(chuàng)建進(jìn)程通過SharedMemory.create創(chuàng)建蝇摸，使用進(jìn)程通過Parcel反序列化創(chuàng)建。

因為SharedMemory類實現(xiàn)了Parcelable律歼，所以可以通過binder跨進(jìn)程傳輸蜂嗽。

MemoryBase和MemoryHeapBase

MemoryBase是對MemoryHeapBase的包裝。MemoryHeapBase對應(yīng)一塊共享內(nèi)存辱揭，使用ashmem_create_region/mmap創(chuàng)建病附，MemoryHeapBase內(nèi)部保存了共享內(nèi)存的地址和大小。通過MemoryBase可以獲取其包裝的MemoryHeapBase域庇。

MemoryBase和MemoryHeapBase都是Binder本地對象(BBinder)，可以直接傳到其他進(jìn)程听皿。其他進(jìn)程分別使用IMemory和IMemoryHeap進(jìn)行跨進(jìn)程調(diào)用。

MemoryHeapBase跨進(jìn)程傳輸本質(zhì)上傳輸?shù)氖枪蚕韮?nèi)存的fd尉姨，fd在經(jīng)過binder驅(qū)動時會被轉(zhuǎn)換成目標(biāo)進(jìn)程的fd，MemoryHeapBase的客戶端代理對象BpMemoryHeap在創(chuàng)建時候會將fd映射到自己的內(nèi)存空間九府，這樣客戶端進(jìn)程在使用IMemoryHeap接口獲取到的內(nèi)存地址就是自己進(jìn)程空間的地址覆致。

ashmem_create_region 和 mmap

ashmem_create_region/mmap是SharedMemory和MemoryHeapBase的實現(xiàn)基礎(chǔ)。

int ashmem_create_region(const char *name, size_t size)

用于創(chuàng)建共享內(nèi)存儡羔，函數(shù)內(nèi)部首先通過open函數(shù)打開/dev/ashmem設(shè)備声旺，得到文件描述符后，通過調(diào)用ioctl設(shè)置fd的名稱和大小鉴扫。

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

通過binder將fd傳遞到其他進(jìn)程后澈缺，其他進(jìn)程可以通過mmap系統(tǒng)調(diào)用，將共享內(nèi)存映射到當(dāng)前進(jìn)程的地址空間莱预，之后就可以通過返回的內(nèi)存首地址進(jìn)行內(nèi)存讀寫项滑。

這樣，兩個進(jìn)程之間就實現(xiàn)了直接的內(nèi)存共享枪狂，獲得了極高的進(jìn)程間通信效率。

Ashmem的Pin和Unpin

ashmem驅(qū)動提供了兩個用于內(nèi)存管理的ioctl操作命令：pin/unpin辜限，直接通過ashmem_create_region創(chuàng)建的共享內(nèi)存默認(rèn)是pined的狀態(tài)严蓖，也就是說氧急，應(yīng)用程序不主動關(guān)閉共享內(nèi)存fd的情況下吩坝，這篇內(nèi)存會始終保留，直到進(jìn)程死亡钾恢。

如果調(diào)用unpin將共享內(nèi)存中的某段內(nèi)存解除鎖定鸳址，之后如果系統(tǒng)內(nèi)存不足稿黍，會自動釋放這部分內(nèi)存崩哩，再次使用同一段內(nèi)存前應(yīng)該先執(zhí)行pin操作，如果pin操作返回ASHMEM_WAS_PURGED酣栈，也就是說內(nèi)存已經(jīng)被回收汹押，已經(jīng)回收的內(nèi)存再次訪問會觸發(fā)缺頁中斷重新進(jìn)行物理內(nèi)存的分配，因此這段內(nèi)存里的數(shù)據(jù)已經(jīng)不是起初的那個數(shù)據(jù)了棚贾，如果仍舊當(dāng)做原始數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問必然引發(fā)錯誤。

通過pin/unpin命令铸史，配合ashmem驅(qū)動怯伊，可以進(jìn)行簡單的內(nèi)存管理。

原理

Ashmem的核心原理主要是兩部分：驅(qū)動和fd傳遞崭篡。

驅(qū)動

Ashmem是Linux內(nèi)核中的一個misc設(shè)備猩系，對應(yīng)的設(shè)備文件是/dev/ashmem，此設(shè)備是一個虛擬設(shè)備寇甸，不存在實際文件疗涉，只在內(nèi)核驅(qū)動中對應(yīng)一個inode節(jié)點咱扣。Ashmem在驅(qū)動層是基于linux系統(tǒng)的共享內(nèi)存功能實現(xiàn)的涵防，Ashmem可以理解為只是對原生的共享內(nèi)存進(jìn)行了一層包裝，使其更方便在Android系統(tǒng)上使用壮池。

ashmem設(shè)備文件支持如下操作：

// /drivers/staging/android/ashmem.c
809static const struct file_operations ashmem_fops = {
810 .owner = THIS_MODULE,
811 .open = ashmem_open,
812 .release = ashmem_release,
813 .read = ashmem_read,
814 .llseek = ashmem_llseek,
815 .mmap = ashmem_mmap,
816 .unlocked_ioctl = ashmem_ioctl,
817#ifdef CONFIG_COMPAT
818 .compat_ioctl = compat_ashmem_ioctl,
819#endif
820};

ashmem創(chuàng)建：（從Java層到驅(qū)動層的調(diào)用鏈）

[java] android.os.SharedMemory#create
[jni] /frameworks/base/core/jni/android_os_SharedMemory.cpp#SharedMemory_create
[libc] /system/core/libcutils/ashmem-dev.c#ashmem_create_region
[driver] /drivers/staging/android/ashmem.c#ashmem_open

ashmem_open

ashmem_open中只是創(chuàng)建了一個標(biāo)識ashmem的結(jié)構(gòu)體椰憋，然后返回fd，并沒有進(jìn)行實際的內(nèi)存分配（無論是虛擬內(nèi)存還是物理內(nèi)存）证舟。得到文件描述符后窗骑，就可以使用ashmem_mmap將內(nèi)核中的共享內(nèi)存區(qū)域映射到進(jìn)程的虛擬地址空間。

ashmem_mmap

ashmem_mmap通過調(diào)用內(nèi)核中shmem相關(guān)函數(shù)在tempfs創(chuàng)建了一個大小等于創(chuàng)建ashmem時傳入大小的臨時文件（由于是內(nèi)存文件抵知，所以磁盤上不存在實際的文件）,然后將文件對應(yīng)的內(nèi)存映射到調(diào)用mmap的進(jìn)程。（注意map的是臨時文件而不是ashmem文件）

其中涉及到的shmem函數(shù)包括shmem_file_setup和shmem_set_file辛藻，他們?yōu)樵撆R時文件創(chuàng)建inode節(jié)點互订，將文件關(guān)聯(lián)到為該文件配的虛擬內(nèi)存，同時為該文件設(shè)置自己的文件操作函數(shù)（Linux共享內(nèi)存shmem的文件操作）氮墨，并為虛擬內(nèi)存設(shè)置缺頁處理函數(shù)吐葵。這樣后續(xù)對共享內(nèi)存的操作就變?yōu)榱藢empfs文件節(jié)點的操作。當(dāng)首次訪問共享內(nèi)存時觸發(fā)缺頁中斷處理函數(shù)并為該虛擬內(nèi)存分配實際的物理內(nèi)存猛铅。

tempfs是Unix-like系統(tǒng)中一種基于內(nèi)存的文件系統(tǒng)凤藏，具有極高的訪問效率堕伪。
shmem是Linux自帶的進(jìn)程間通信機(jī)制：共享內(nèi)存Shared Memory栗菜。
共享內(nèi)存的虛擬文件記錄在/proc/<pid>/maps文件中，pid表示打開這個共享內(nèi)存文件的進(jìn)程ID富俄。

ashmem_pin/ashmem_unpin

pin和unpin是ashmem的ioctl支持的兩個操作而咆，用于共享內(nèi)存的分塊使用和分塊回收，用于節(jié)省實際的物理內(nèi)存暴备。新創(chuàng)建的共享內(nèi)存默認(rèn)都是pined的，當(dāng)調(diào)用unpin時，驅(qū)動將unpined的內(nèi)存區(qū)域所在的頁掛在一個unpinned_list鏈表上玛痊，后續(xù)內(nèi)存回收就是基于unpinned_list鏈表進(jìn)行。

在ashmem驅(qū)動初始化函數(shù)ashmem_init里調(diào)用了內(nèi)核函數(shù)register_shrinker混弥，注冊了一個內(nèi)存回收回調(diào)函數(shù)ashmem_shrink对省，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存緊張時，就會回調(diào)ashmem_shrink蒿涎，由驅(qū)動自身進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?nèi)存回收。驅(qū)動就是在ashmem_shrink中遍歷unpinned_list進(jìn)行內(nèi)存回收仓手，以釋放物理內(nèi)存玻淑。

ashmem fd的傳遞：

fd通過Binder傳遞。

Binder機(jī)制不僅支持binder對象的傳遞添坊，還支持文件描述符的傳遞。fd經(jīng)過binder驅(qū)動時贬蛙，binder驅(qū)動會將源進(jìn)程的fd轉(zhuǎn)換成目標(biāo)進(jìn)程的fd，轉(zhuǎn)換過程為：取出發(fā)送方binder數(shù)據(jù)里的fd速客，通過fd找到文件對象，然后為目標(biāo)進(jìn)程創(chuàng)建fd岔擂，將目標(biāo)進(jìn)程fd和文件對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)浪耘，將發(fā)送方binder數(shù)據(jù)里的fd改為目標(biāo)進(jìn)程的fd，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給目標(biāo)進(jìn)程七冲。這個過程相當(dāng)于文件在目標(biāo)進(jìn)程又打開了一次，目標(biāo)進(jìn)程使用的是自己的fd蝉稳，但和源進(jìn)程都指向的是同一個文件掘鄙。這樣源進(jìn)程和目標(biāo)進(jìn)程就都可以map到同一片內(nèi)存了。

使用場景

進(jìn)程間共享體積較大的數(shù)據(jù)操漠，比如bitmap。
提升進(jìn)程間傳輸數(shù)據(jù)的效率撞秋，比如ContentProvider基于共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送嚣鄙。
借助Bitmap解碼的inPurgeable屬性，在android4.x及以下系統(tǒng)版本中實現(xiàn)內(nèi)存在ashmem中分配哑子，以節(jié)省Java堆內(nèi)存。比如fresco圖片加載庫針對Android4.x及以下的機(jī)型對inPurgeable屬性的使用剧蹂。

總結(jié)

Ashmem通過對Linux共享內(nèi)存的擴(kuò)展烦却，一方面使其使用更簡單，另一方面使其只能通過binder傳遞冒冬，增加了安全性。Ashmem在Android系統(tǒng)中起著非常重要的作用简烤，比如整個顯示系統(tǒng)App-WMS-SurfaceFlinger之間就是通過Ashmem傳遞的幀數(shù)據(jù)。