Android系列-ION內(nèi)存管理簡介

Android系列-ION內(nèi)存管理簡介

一元莫、ION相關(guān)介紹

Android的ION子系統(tǒng)的目的主要是通過在硬件設(shè)備和用戶空間之間分配和共享內(nèi)存绵载，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間零拷貝共享內(nèi)存羊苟。說來簡單胶惰，其實(shí)不易鹉戚。在Soc硬件中，許多設(shè)備可以進(jìn)行DMA师幕，這些設(shè)備可能有不同的能力粟按，以及不同的內(nèi)存訪問機(jī)制。

ION是Google在Android 4.0 ICS中引入霹粥，用于改善對于當(dāng)前不同的android設(shè)備灭将，有著各種不同內(nèi)存管理接口管理相應(yīng)內(nèi)存的狀況。當(dāng)前存在著各種不同的但是功能卻類似的內(nèi)存管理接口后控，例如在NVIDIA Tegra有一個(gè)“NVMAP”機(jī)制庙曙、在TI OMAP有一個(gè)“CMEM”機(jī)制、在Qualcomm MSM有一個(gè)“PMEM”機(jī)制浩淘，ION將其進(jìn)行通用化捌朴，通過其接口，可集中分配各類不同內(nèi)存（heap）张抄，同時(shí)上述三個(gè)芯片廠商也正將其內(nèi)存管理策略切換至ION上砂蔽。

另外，ION在內(nèi)核空間和用戶空間分別有一套接口欣鳖，它不僅能管理內(nèi)存察皇，還可在其clients（來自內(nèi)核的或者來自用戶空間的）之間共享內(nèi)存茴厉。

綜上泽台，ION主要功能：

  • 內(nèi)存管理器：提供通用的內(nèi)存管理接口，通過heap管理各種類型的內(nèi)存矾缓。
  • 共享內(nèi)存：可提供驅(qū)動(dòng)之間怀酷、用戶進(jìn)程之間、內(nèi)核空間和用戶空間之間的共享內(nèi)存嗜闻。

二蜕依、實(shí)現(xiàn)原理

在ION中，用不同heap代表不同類型的內(nèi)存，每種heap有自己的內(nèi)存分配策略样眠。

主要的heap：

  • ION_HEAP_TYPE_SYSTEM: 使用vmalloc分配友瘤，這個(gè)對應(yīng)ion_heap_ops中的map_user函數(shù)
  • ION_HEAP_TYPE_SYSTEM_CONTIG: 通過kmalloc分配
  • ION_HEAP_TYPE_CARVEOUT: 在啟動(dòng)的時(shí)候就保留的物理上連續(xù)的內(nèi)存塊
  • 另外還有兩種，這里不關(guān)注：
  • ION_HEAP_TYPE_CHUNK
  • ION_HEAP_TYPE_DMA: memory allocated via DMA API
圖片.png

每個(gè)heap中可分配若干個(gè)buffer檐束，每個(gè)client通過handle管理對應(yīng)的buffer辫秧。每個(gè)buffer只能有一個(gè)handle對應(yīng)，每個(gè)用戶進(jìn)程只能有一個(gè)client被丧，每個(gè)client可能有多個(gè)handle盟戏。兩個(gè)client通過文件描述符fd（和handle有所對應(yīng)，通過handle獲壬稹）柿究，通過映射方式，將相應(yīng)內(nèi)存映射黄选，實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存蝇摸。

圖片.png

三、使用方法

下面的內(nèi)容著重講述用戶空間進(jìn)程之間的內(nèi)存共享办陷。

1探入、用戶空間內(nèi)使用ION的方法

用戶空間可以使用libion庫實(shí)現(xiàn)對ion的操作，這里不講述該庫的操作方法懂诗，用戶程序直接通過ioctl和驅(qū)動(dòng)打交道蜂嗽，ion常見的ioctl命令為：

  • ION_IOC_ALLOC: 分配內(nèi)存
  • ION_IOC_FREE: 釋放內(nèi)存
  • ION_IOC_MAP: 獲得一個(gè)只想mmap映射的內(nèi)存的文件描述符
  • ION_IOC_SHARE: 創(chuàng)建一個(gè)指向共享的內(nèi)存的文件描述符
  • ION_IOC_IMPORT: 引入一個(gè)共享的文件描述符
  • ION_IOC_CUSTOM: 調(diào)用平臺自定義的ioctl

具體使用示例可以參見該庫的文件實(shí)現(xiàn)（system/core/lib/ion/），或如下：

sharedMemoryION.txz

（1）獲取一個(gè)ION client

需要打開ION設(shè)備：

open("/dev/ion", O_RDONLY)

這里殃恒，進(jìn)程要有訪問權(quán)限植旧，雖然是使用O_RDONLY標(biāo)記但是也返回一個(gè)可寫的內(nèi)存。返回的文件描述符號做為表示一個(gè)ION client的handle离唐。每個(gè)用戶進(jìn)程只能有一個(gè)client病附。用戶空間的client通過ioctl()系統(tǒng)調(diào)用接口和ION交互。

（2）設(shè)置獲取buffer的參數(shù)

填充結(jié)構(gòu)ion_allocation_data亥鬓，主要包含如下成員：

struct ion_allocation_data {
    size_t len;
    size_t align;
    unsigned int heap_mask;
    unsigned int flags;
    struct ion_handle *handle;                                                                                                                      
};

這里 handle做為輸出 (struct ion_handle 類型)讽挟，需要填充的是其中除handle成員之外的成員（整個(gè)buffer是 struct ion_allocation_data 類型）。對于其他參數(shù)蕾哟，注意在文檔 （http://lwn.net/Articles/480055/） 中并沒有給出heap_mask搂誉，只說flags是一個(gè)比特掩碼，標(biāo)識一個(gè)或者多個(gè)將要分配所使用的ION heap（結(jié)合后面熟呛，它的解釋是錯(cuò)誤的宽档，應(yīng)該是對heap_mask的解釋），但是從源代碼中的注釋看庵朝，這些參數(shù)的含義如下：

  • len：分配的大小吗冤。
  • align：分配所需的對其參數(shù)又厉。
  • heap_mask：待分配所使用的所有heaps的掩碼（如：ION_HEAP_SYSTEM_MASK）。
  • flags：傳給heap的標(biāo)志（如：ION_FLAG_CACHED）椎瘟，ion系統(tǒng)使用低16位覆致，高16位用于各自heap實(shí)現(xiàn)使用。

具體各自取值和實(shí)現(xiàn)肺蔚，請參見ion驅(qū)動(dòng)頭文件定義和驅(qū)動(dòng)代碼篷朵。

（3）分配buffer

將設(shè)置好的buffer參數(shù)傳遞給ioctl：

int ioctl(int client_fd, ION_IOC_ALLOC, struct ion_allocation_data *allocation_data)

這里，client_fd就是剛剛打開的/dev/ioc文件描述符號婆排。分配的buffer通過返回的上述結(jié)構(gòu)的 struct ion_handle *handle 成員來引用声旺，但是這個(gè)handle并不是一個(gè)CPU訪問的地址。一個(gè)client不能有兩個(gè)handle指向同樣的buffer段只。

（4）共享buffer

buffer的handle只能通過如下調(diào)用獲取一個(gè)文件描述符號用于buffer共享：

int ioctl(int client_fd, ION_IOC_SHARE, struct ion_fd_data *fd_data);

其中fd_data如下：

struct ion_fd_data {
        struct ion_handle *handle;
        int fd;
   }

這里腮猖， handle是輸入 ，標(biāo)示要共享buffer的handle赞枕； fd是輸出 澈缺，標(biāo)示用于共享buffer的文件描述符號。

（5）傳遞待共享的文件描述符號

在android設(shè)備中炕婶，可能會(huì)通過Binder機(jī)制將共享的文件描述符fd發(fā)送給另外一個(gè)進(jìn)程姐赡。

為了獲得被共享的buffer，第二個(gè)用戶進(jìn)程必須通過首先調(diào)用 open("/dev/icon", O_RDONLY) 獲取一個(gè)client handle柠掂，ION通過進(jìn)程ID跟蹤它的用戶空間clients项滑。 在同一個(gè)進(jìn)程中重復(fù)調(diào)用open("/dev/icon", O_RDONLY)將會(huì)返回另外一個(gè)文件描述符號，這個(gè)文件描述符號會(huì)引用內(nèi)核同樣的client結(jié)構(gòu) 涯贞。

獲取到共享文件描述符fd后枪狂，共享進(jìn)程可以通過mmap來操作共享內(nèi)存。

（6）釋放

為了釋放緩存宋渔，第二個(gè)client需要通過munmap來取消mmap的效果州疾，第一個(gè)client需要關(guān)閉通過ION_IOC_SHARE命令獲得的文件描述符號，并且使用ION_IOC_FREE如下：

int ioctl(int client_fd, ION_IOC_FREE, struct ion_handle_data *handle_data);

其中：

struct ion_handle_data {
    struct ion_handle *handle;
}

命令會(huì)導(dǎo)致handle的引用計(jì)數(shù)減少1皇拣。當(dāng)這個(gè)引用計(jì)數(shù)達(dá)到0的時(shí)候严蓖，ion_handle對象會(huì)被析構(gòu)，同時(shí)ION的索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被更新氧急。

用戶進(jìn)程也可與內(nèi)核驅(qū)動(dòng)共享ION buffer颗胡。

2、內(nèi)核空間內(nèi)使用ION的方法

具體參見參考資料态蒂，這里簡略介紹杭措。

（1）獲取一個(gè)ION Client

調(diào)用如下函數(shù)：

struct ion_client *ion_client_create(struct ion_device *dev,unsigned int heap_mask, const char *debug_name)

內(nèi)核中可以有多個(gè)ION clients费什，每個(gè)使用ION的driver擁有一個(gè)client钾恢。這里手素，參數(shù)dev就是對應(yīng)/dev/ion的設(shè)備，為何需要這個(gè)參數(shù)瘩蚪，目前還不確切泉懦；參數(shù)heap_mask和前面敘述一樣，用于選擇一個(gè)或多個(gè)ion heaps類型標(biāo)識堆類型疹瘦。flags參數(shù)前面說過了崩哩。

（2）共享來自用戶空間的ion buffer

用戶傳遞 ion共享文件描述符 給內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)成ion_handle ：

struct ion_handle *ion_import_fd(struct ion_client *client, int fd_from_user);

在許多包含多媒體中間件的智能手機(jī)中言沐，用戶進(jìn)程經(jīng)常從ion中分配buffer邓嘹，然后使用ION_IOC_SHARE命令獲取文件描述符號，然后將文件描述符號傳遞給內(nèi)核驅(qū)動(dòng)险胰。內(nèi)核驅(qū)動(dòng)調(diào)用ion_import_fd()將文件描述符轉(zhuǎn)換成ion_handle對象汹押。內(nèi)核驅(qū)動(dòng)使用ion_handle對象做為對共享buffer的client本地引用。該函數(shù)查找buffer的物理地址一確認(rèn)是否這個(gè)client是否之前分配了同樣的buffer起便，如果是棚贾，則僅增加相應(yīng)handle的引用計(jì)數(shù)。

有些硬件塊只能操作物理地址連續(xù)的buffer榆综，所以相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)應(yīng) 對ion_handle轉(zhuǎn)換 ：

int ion_phys(struct ion_client *client, struct ion_handle *handle, ion_phys_addr_t *addr, size_t *len)

若buffer的物理地址不連續(xù)妙痹，這個(gè)調(diào)用會(huì)失敗。

在處理client的調(diào)用之時(shí)鼻疮，ion始終會(huì)對input file descriptor,client,和handle arguments進(jìn)行確認(rèn)怯伊。例如：當(dāng)import一個(gè)file descriptor（文件描述符）之時(shí)，ion會(huì)保證這個(gè)文件描述符確實(shí)是通過ION_IOC_SHARE命令創(chuàng)建的判沟。當(dāng)ion_phys()被調(diào)用之時(shí)震贵，ION會(huì)驗(yàn)證buffer handle是否在client允許訪問的handles列表中，若不是水评，則返回錯(cuò)誤猩系。這些驗(yàn)證機(jī)制減少了期望之外的訪問與資源泄露。

四中燥、ION 調(diào)試

關(guān)于ION debug寇甸，在 /sys/kernel/debug/ion/ 提供一個(gè)debugfs 接口。

每個(gè)heap都有自己的debugfs目錄疗涉，client內(nèi)存使用狀況顯示在 /sys/kernel/debug/ion/<<heap name>>

$cat /sys/kernel/debug/ion/ion-heap-1 
 client              pid             size
test_ion             2890            16384

每個(gè)由pid標(biāo)識的client也有一個(gè)debugfs目錄/sys/kernel/debug/ion/<a id="orgtarget1"></a>

$cat /sys/kernel/debug/ion/2890 
heap_name:    size_in_bytes
ion-heap-1:    40960 11

五拿霉、其它資料

待更新

內(nèi)核空間

注：使用例如“git clone https://android.googlesource.com/kernel/common” 下載之后，目錄為空咱扣，這可能是因?yàn)榇嬖诙鄠€(gè)分支绽淘，而當(dāng)前分支為空，可以用"git branch -a"查看相應(yīng)分支闹伪，然后切換之沪铭。

用戶空間

同樣可參照上述方法下載壮池。

整體介紹：

https://wiki.linaro.org/BenjaminGaignard/ion

功能方面：

http://lwn.net/Articles/565469/

使用方面：

http://lwn.net/Articles/480055/

其它參考：

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