Android ION

ION是Google在Android 4.0上推出的一個(gè)通用的內(nèi)存管理器，目的是為了解決眾多廠商的內(nèi)存管理器碎片化問(wèn)題。如高通的PMEM、NVIDIA的NVMAP等。用戶空間、內(nèi)核驅(qū)動(dòng)均可以使用ION分配內(nèi)存，除此之外，ION也提供多個(gè)Client之間共享內(nèi)存。通常，SurfaceFlinger/Camera/Audio等會(huì)使用ION。

本文以MSM平臺(tái)SYSTEM HEAP為例。

Android ION數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

ion_device

struct ion_device {
    struct miscdevice dev;
    struct rb_root buffers;
    struct mutex buffer_lock;
    struct rw_semaphore lock;
    struct plist_head heaps;
    ...
    struct rb_root clients;
    ...
};

dev：具體平臺(tái)上的ION設(shè)備
buffers：通過(guò)紅黑樹管理所有通過(guò)ion分配的ion_buffer
heaps：ion設(shè)備所有的heaps鏈表，通過(guò)plist（priority-sorted list）管理
clients：紅黑樹管理使用ion的所有ion_client

ion_client

struct ion_client {
    struct rb_node node;
    struct ion_device *dev;
    struct rb_root handles;
    struct idr idr;
    struct mutex lock;
    char *name;
    char *display_name;
    int display_serial;
    struct task_struct *task;
    pid_t pid;
    struct dentry *debug_root;
};

ion_client每個(gè)進(jìn)程最多有一個(gè)
node：所有client所在的紅黑樹節(jié)點(diǎn)
dev：指向ion device
handles：該client所管理的所有ion_handle紅黑樹
task：client所屬進(jìn)程的task_struct

ion_handle

struct ion_handle {
    struct kref ref;
    struct ion_client *client;
    struct ion_buffer *buffer;
    struct rb_node node;
    unsigned int kmap_cnt;
    int id;
};

ion_handle用于連接client與buffer，修改該結(jié)構(gòu)需要lock所在的client
ref：引用計(jì)數(shù)
client：所屬的ion_client
buffer：該handle使用的ion_buffer
node：client handles紅黑樹節(jié)點(diǎn)
id：每個(gè)client內(nèi)唯一的id，由client->idr分配

ion_buffer

struct ion_buffer {
    struct kref ref;
    union {
        struct rb_node node;
        struct list_head list;
    };
    struct ion_device *dev;
    struct ion_heap *heap;
    unsigned long flags;
    unsigned long private_flags;
    size_t size;
    union {
        void *priv_virt;
        ion_phys_addr_t priv_phys;
    };
    struct mutex lock;
    int kmap_cnt;
    void *vaddr;
    struct sg_table *sg_table;
    struct page **pages;
    struct list_head vmas;
    /* used to track orphaned buffers */
    int handle_count;
    char task_comm[TASK_COMM_LEN];
    pid_t pid;
};

ref：引用計(jì)數(shù)
node：ion_device buffers紅黑樹節(jié)點(diǎn)
heap：buffer來(lái)自的heap
kmap_cnt：ion_buffer映射到內(nèi)核的次數(shù)
vaddr：如果kmap_cnt不為0，vaddr位內(nèi)核映射
dmap_cnt：ion_buffer映射到dma的次數(shù)
sg_table：如果dmap_cnt不為0，為sg table
vmas：映射到ion_buffer的vma列表
handle：應(yīng)用該ion_buffer的handle數(shù)
task_comm：通過(guò)handle引用該ion_buffer的最后一個(gè)client所屬進(jìn)程

ion_heap

struct ion_heap {
    struct plist_node node;
    struct ion_device *dev;
    enum ion_heap_type type;
    struct ion_heap_ops *ops;
    unsigned long flags;
    unsigned int id;
    const char *name;
    struct shrinker shrinker;
    void *priv;
    struct list_head free_list;
    size_t free_list_size;
    spinlock_t free_lock;
    wait_queue_head_t waitqueue;
    struct task_struct *task;

    int (*debug_show)(struct ion_heap *heap, struct seq_file *, void *);
    atomic_t total_allocated;
    atomic_t total_handles;
};

node：ion device通過(guò)plist管理所有的ion_heap
type：ion heap類型
ops：ion heap的操作
id：ion heap id同時(shí)也表示優(yōu)先級(jí)，id越小優(yōu)先級(jí)越高，參考plist
free_list：deferred free list
free_list_size：size of deferred free list
waitqueue：queue to wait on from deferred free thread
task：task struct of deferred free thread

ion_system_heap

struct ion_system_heap {
    struct ion_heap heap;
    struct ion_page_pool **uncached_pools;
    struct ion_page_pool **cached_pools;
};

heap：關(guān)聯(lián)的ion_heap
uncached_pools：空閑頁(yè)所在的pool，如果ion heap的flag為uncached從此分配和釋放
cached_pools：空閑頁(yè)所在的pool，如果ion heap的flag為cached從此分配和釋放

ion_page_pool

struct ion_page_pool {
    int high_count;
    int low_count;
    struct list_head high_items;
    struct list_head low_items;
    struct mutex mutex;
    gfp_t gfp_mask;
    unsigned int order;
    struct plist_node list;
};

high_count：pool中屬于高端內(nèi)存的內(nèi)存塊數(shù)目
low_count： pool中屬于低端內(nèi)存的內(nèi)存塊數(shù)目
hight_items：pool中屬于高端內(nèi)存的內(nèi)存塊鏈表
low_items： pool中屬于低端內(nèi)存的內(nèi)存塊鏈表
order：pool中內(nèi)存塊的階，也就是pool中內(nèi)存塊的大小為(1<<order) * PAGE_SIZE
list： plist node for list of pools

小結(jié)

ION數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

Android ION設(shè)備初始化

ION設(shè)備初始化流程

解析ion dtsi配置獲取系統(tǒng)當(dāng)前配置的堆
創(chuàng)建ion設(shè)備，同時(shí)在debugfs中創(chuàng)建ion目錄以及ion目錄下的heaps以及clients目錄，最后初始化ion device所管理的buffers/clients紅黑樹以及heaps優(yōu)先級(jí)鏈表
創(chuàng)建系統(tǒng)當(dāng)前配置的堆，以system heap為例，創(chuàng)建ion_system_heap以及所管理的page pool
根據(jù)堆的標(biāo)志以及有無(wú)shrink函數(shù)，分別初始化ion heap的延遲釋放ion_buffer鏈表以及注冊(cè)shrink函數(shù)，根據(jù)ion heap的ID也就是優(yōu)先級(jí)將其添加到設(shè)備的優(yōu)先級(jí)鏈表中，在debugfs的ion/heaps下創(chuàng)建以堆名命名的目錄
注冊(cè)show_mem_notifier，用于調(diào)試，當(dāng)cat /sys/kernel/debug/show_mem_notifier時(shí)，調(diào)試信息將打印在kernel log中

ION system heap分配內(nèi)存

ION system heap分配內(nèi)存流程

在使用Ion heap之前，首先要open設(shè)備文件，在ion_open中為該進(jìn)程創(chuàng)建ion_client，初始化ion_client后將其插入到ion dev的clients紅黑樹中，并未改client創(chuàng)建debugfs
對(duì)于ion heap分配，我們從ion_alloc開始分析，在iondev的ion heap優(yōu)先級(jí)鏈表中搜索我們請(qǐng)求的目標(biāo)ion heap，如果找到調(diào)用ion_buffer_create
在ion_buffer_create中首先創(chuàng)建ion_buffer，然后調(diào)用請(qǐng)求堆的allocate函數(shù)，這里我們只關(guān)心ion_system_heap_allocate
重點(diǎn)分析ion_system_heap_allocate

static int ion_system_heap_allocate(struct ion_heap         *heap, struct ion_buffer *buffer, unsigned long size, unsigned long align, unsigned long flags)
{
    ...
    struct list_head pages;
    struct list_head pages_from_pool;
    struct page_info *info, *tmp_info;
    int i = 0;
    unsigned int nents_sync = 0;
    unsigned long size_remaining = PAGE_ALIGN(size);
    unsigned int max_order = orders[0];
    struct pages_mem data;
    ...

Pages為從PCP/buddy中分配的page鏈表
pages_from_pool為從Ion system heap page pool分配的page鏈表
data用來(lái)記錄從PCP/buddy中分配的內(nèi)存的大小
size_remaining用來(lái)表示本次需要分配的內(nèi)存大小

    ...
    while (size_remaining > 0) {
        info = alloc_largest_available(sys_heap, buffer, size_remaining, max_order);
        if (!info)
            goto err;

        sz = (1 << info->order) * PAGE_SIZE;

        if (info->from_pool) {
            list_add_tail(&info->list, &pages_from_pool);
        } else {
            list_add_tail(&info->list, &pages);
            data.size += sz;
            ++nents_sync;
        }
        size_remaining -= sz;
        max_order = info->order;
        i++;
    }
    ...

alloc_largest_available每次分配小于size_remaining的最大的2的order次冪的內(nèi)存，sz表示本次分配的內(nèi)存大小，如果本次是從pool中分配的添加到pages_from_pool鏈表中，否則添加到pages鏈表，i表示分配size_remaining大小的內(nèi)存用了多少次，nents_sync表示從PCP/buddy中分配內(nèi)存塊的個(gè)數(shù)（次數(shù)），這兩個(gè)值是為了后面創(chuàng)建scatterlist服務(wù)，scatterlist可以認(rèn)為是一個(gè)內(nèi)存塊的鏈表，后面的do while循環(huán)主要是為了將我們分配得到的pages_from_pool和pages兩個(gè)鏈表進(jìn)行合并

    ...
    do {
        info = list_first_entry_or_null(&pages, struct page_info, list);
        tmp_info = list_first_entry_or_null(&pages_from_pool,
                            struct page_info, list);
        if (info && tmp_info) {
            if (info->order >= tmp_info->order) {
                i = process_info(info, sg, sg_sync, &data, i);
                sg_sync = sg_next(sg_sync);
            } else {
                i = process_info(tmp_info, sg, 0, 0, i);
            }
        } else if (info) {
            i = process_info(info, sg, sg_sync, &data, i);
            sg_sync = sg_next(sg_sync);
        } else if (tmp_info) {
            i = process_info(tmp_info, sg, 0, 0, i);
        } else {
            BUG();
        }
        sg = sg_next(sg);

    } while (sg);
    ...

將pages以及pages_from_pool鏈表中物理地址連續(xù)的內(nèi)存塊按照order大小，分別添加到sg以及sg_sync兩個(gè)scatterlist中，其中pages中的內(nèi)存塊同時(shí)添加到兩個(gè)scatterlist中，pages_from_pool中的只添加到sg scatterlist中。同時(shí)將data->pages初始化為sg_sync scatterlist中所有page頁(yè)
分配到的內(nèi)存的組織結(jié)構(gòu)圖

    ...
    ret = msm_ion_heap_pages_zero(data.pages, data.size >> PAGE_SHIFT);
    if (ret) {
        pr_err("Unable to zero pages\n");
        goto err_free_sg2;
    }

    if (nents_sync)
        dma_sync_sg_for_device(NULL, table_sync.sgl, table_sync.nents,
                       DMA_BIDIRECTIONAL);

    buffer->priv_virt = table;
    if (nents_sync)
        sg_free_table(&table_sync);
    msm_ion_heap_free_pages_mem(&data);
    return 0;
    ...

利用data結(jié)構(gòu)體，將從buddy分配到的所有內(nèi)存塊清零
對(duì)于dma_sync_sg_for_device，暫未搞懂
最后釋放table_sync scatterlist以及data
在真正分配完內(nèi)存之后，還需要?jiǎng)?chuàng)建ion_handle，初始化后添加到ion client所管理的handles紅黑樹中

ION system heap內(nèi)存釋放

當(dāng)沒(méi)有ion client引用ion buffer的時(shí)候，ion buffer就會(huì)被釋放，通過(guò)上文我們知道ion buffer的可用內(nèi)存實(shí)際上是由物理地址連續(xù)的多個(gè)內(nèi)存塊組成的scatterlist。釋放的時(shí)候，就是遍歷該scatterlist，釋放該內(nèi)存塊，如果沒(méi)有設(shè)置ION_PRIV_FLAG_SHRINKER_FREE標(biāo)志，將內(nèi)存塊釋放到ion system heap page pool；否則釋放到PCP/buddy

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Android ION源碼淺析

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Android ION

Android ION數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

ion_device

ion_client

ion_handle

ion_buffer

ion_heap

ion_system_heap

ion_page_pool

小結(jié)

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ION system heap分配內(nèi)存

ION system heap內(nèi)存釋放

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Android ION源碼淺析

Android ION

Android ION數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

ion_device

ion_client

ion_handle

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ion_system_heap

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小結(jié)

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ION system heap分配內(nèi)存

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