Android开发之Memory类的分析
在Android系统，由于内存空间一般比较有限，为了方便进程间共享数据，Android提供了一种匿名共享内存的机制。为了方便的使用匿名共享内存机制，系统提供了Java的调用接口MemoryFile和C++调用接口MemoryHeapBase和MemoryBase。
MemoryHeapBase:一般用于在进程间共享一个完整的匿名共享内存块
MemoryBase: 一般用于在进程间共享一个匿名共享内存块的其中一部分。
MemoryBase接口是建立在MemoryHeapBase接口的基础上实现的，他们都可以作为一个Binder对象在进程间通信。下面我们主要来分析者两个类：
所有的Binder对象都必须实现IInterface接口，无论是Service端实体对象，还是Client的引用对象，通过这个接口的asBinder成员函数我们可以获得Binder对象的IBinder接口，然后通过Binder驱动程序把它传输到另外一个进程，当一个类的对象作为Service端的实体对象时，还必须实现一个目标类BnInterface，它里面有一个重要的成员函数onTransact，当Client端引用请求Server端对象执行命令时，Binder系统会调用Bnxx类的onTransact成员函数来执行具体的命令。当一个类作为Server端实体时，它需要继承于BBinder类，这是一个实现了IBinder接口的类，它里面有一个重要的成员函数transact，当我们从Server端线程中接收到Client端的请求时，会调用注册在这个线程中的BBinder对象的transact函数，将这些请求发送给Bnxx类的onTransact成员函数。
IMemoryHeap 类主要定义几个重要的操作匿名共享内存的方法。
frameworks/base/include/binder/IMemory.h文件中：
class IMemoryHeap : public IInterface
{
public:
DECLARE_META_INTERFACE(MemoryHeap);
// flags returned by getFlags()
enum {
READ_ONLY = 0x00000001
};
virtual int getHeapID() const = 0;
virtual void* getBase() const = 0;
virtual size_t getSize() const = 0;
virtual uint32_t getFlags() const = 0;
virtual uint32_t getOffset() const = 0;
// these are there just for backward source compatibility
int32_t heapID() const { return getHeapID(); }
void* base() const { return getBase(); }
size_t virtualSize() const { return getSize(); }
};
其中几个纯虚的成员函数：
getHeapID() 获得匿名共享内存块的打开文件描述符
getBase() 获得匿名共享内存的基地址
getSize() 获得匿名共享内存块的大小
BnMemoryHeap 类继承于BnInterface
class BnMemoryHeap : public BnInterface
{
public:
virtual status_t onTransact(
uint32_t code,
const Parcel& data,
Parcel* reply,
uint32_t flags = 0);
BnMemoryHeap();
protected:
virtual ~BnMemoryHeap();
};
MemoryHeapBase 类主要用来实现上面的IMemoryHeap类的几个成员函数：
frameworks/base/include/binder/MemoryHeapBase.h
class MemoryHeapBase : public virtual BnMemoryHeap
{
public:
MemoryHeapBase(int fd, size_t size, uint32_t flags = 0, uint32_t offset = 0);
MemoryHeapBase(const char* device, size_t size = 0, uint32_t flags = 0);
MemoryHeapBase(size_t size, uint32_t flags = 0, char const* name = NULL);
virtual ~MemoryHeapBase();
/* implement IMemoryHeap interface */
virtual int getHeapID() const;
virtual void* getBase() const;
virtual size_t getSize() const;
virtual uint32_t getFlags() const;
virtual uint32_t getOffset() const;
const char* getDevice() const;
void dispose();
status_t setDevice(const char* device) {
if (mDevice == 0)
mDevice = device;
return mDevice ? NO_ERROR : ALREADY_EXISTS;
}
protected:
MemoryHeapBase();
status_t init(int fd, void *base, int size,
int flags = 0, const char* device = NULL);
private:
status_t mapfd(int fd, size_t size, uint32_t offset = 0);
int mFD;
size_t mSize;
void* mBase;
uint32_t mFlags;
const char* mDevice;
bool mNeedUnmap;
uint32_t mOffset;
};
frameworks/base/libs/binder/MemoryHeapBase.cpp
MemoryHeapBase::MemoryHeapBase(size_t size, uint32_t flags, char const * name)
: mFD(-1), mSize(0), mBase(MAP_FAILED), mFlags(flags),
mDevice(0), mNeedUnmap(false), mOffset(0)
{
const size_t pagesize = getpagesize();
size = ((size + pagesize-1) & ~(pagesize-1));
int fd = ashmem_create_region(name == NULL ? "MemoryHeapBase" : name, size);
LOGE_IF(fd<0, "error creating ashmem region: %s", strerror(errno));
if (fd >= 0) {
if (mapfd(fd, size) == NO_ERROR) {
if (flags & READ_ONLY) {
ashmem_set_prot_region(fd, PROT_READ);
}
}
}
}它的构造函数具有三个参数：size表示要创建的匿名共享内存大小，flag用来设置匿名共享内存的属性，可是只读或读写，name是用来标示这个匿名共享内存的。
MemoryHeapBase类创建的匿名共享内存是以页作为单位的，页的大小一般为4k，这个函数先通过getpagesize获得系统中一页内存大小，然后把size参数对其到页大小区。如果size不是页大小的整数倍时就增加它的大小，使得它的值为页大小的整数倍。
然后就调用C接口asmem_create_region()来创建一块共享内存了。得到共享内存的文件描述符后，就需要调用mapfd函数把它映射到进程地址空间。
BpMemoryHeap类 是MemoryHeapBase的远端代理，负责暴露接口给客户端
BpMemoryHeap需要实现BpInterface、BpRefBase和BpBinder类，在BpRefBase里面有一个成员变量mRemote，它指向一个BpBinder对象，当BpMemoryBase需要向Server端发送请求时，就会通过这个BpBinder对象的transact函数发出。
frameworks/base/libs/binder/IMemory.cpp：
class BpMemoryHeap : public BpInterface
{
public:
BpMemoryHeap(const sp& impl);
virtual ~BpMemoryHeap();
virtual int getHeapID() const;
virtual void* getBase() const;
virtual size_t getSize() const;
virtual uint32_t getFlags() const;
virtual uint32_t getOffset() const;
static inline sp find_heap(const sp& binder) { return gHeapCache->find_heap(binder); }private:
friend class IMemory;
friend class HeapCache;
mutable volatile int32_t mHeapId;
mutable void* mBase;
mutable size_t mSize;
mutable uint32_t mFlags;
mutable uint32_t mOffset;
mutable bool mRealHeap;
mutable Mutex mLock;
};
我们先看看构造函数：
BpMemoryHeap::BpMemoryHeap(const sp& impl)
: BpInterface(impl),
mHeapId(-1), mBase(MAP_FAILED), mSize(0), mFlags(0), mOffset(0), mRealHeap(false)
{
} 注意：构造函数的参数impl指向的值一个BpBinder对象，它里面包含了一个指向Server端的Binder对象，即MemoryHeapBase对象的引用。
在frameworks/base/lib/binder/IMemory.cpp：
类HeapCache的全局变量gHeapCache：它维护着当前进程中所有的MemoryHeapBase对象的引用。
由于在Client端进程中，可能会有多个引用，即多个BpMemoryHeap对象对应同一个MemoryHeapBase对象，因此当第一个BpMemoryHeap对象在本进程中映射好这块匿名共享内存之后，后面的BpMemoryHeap对象就可以直接使用，不需要再映射一次。
class HeapCache : public IBinder::DeathRecipient
{
public:
HeapCache();
virtual ~HeapCache();
virtual void binderDied(const wp& who);
sp find_heap(const sp& binder);
void free_heap(const sp& binder);
sp get_heap(const sp& binder);
void dump_heaps();
private:
struct heap_info_t {
sp heap;
int32_t count;
};
void free_heap(const wp& binder);
Mutex mHeapCacheLock;
KeyedVector< wp, heap_info_t > mHeapCache; //维护本进程中所有的BpMemoryHeap对象 };我们主要看下find_heap函数的实现：
sp HeapCache::find_heap(const sp& binder)
{
Mutex::Autolock _l(mHeapCacheLock);
ssize_t i = mHeapCache.indexOfKey(binder);
if (i>=0) { // 当前进程中有其他的BpMemoryHeap对象存在
heap_info_t& info = mHeapCache.editValueAt(i);
LOGD_IF(VERBOSE,
"found binder=%p, heap=%p, size=%d, fd=%d, count=%d",
binder.get(), info.heap.get(),
static_cast(info.heap.get())->mSize,
static_cast(info.heap.get())->mHeapId,
info.count);
android_atomic_inc(&info.count);
return info.heap;
} else { // 这个进程中没有其他的BpMemoryHeap对象存在，需要将这个对象添加到mHeapCache中去
heap_info_t info;
info.heap = interface_cast(binder);
info.count = 1;
//LOGD("adding binder=%p, heap=%p, count=%d",
// binder.get(), info.heap.get(), info.count);
mHeapCache.add(binder, info);
return info.heap;
}
} 这个函数比较简单，首先以传进来的参数binder为关键字，在mHeapCache中查找，看看是否有对应的heap_info对象Info存在，如果有的话，就直接增加它的引用计数info.count值，表示这个BpBinder对象多了一个使用值。如果没有的话，那么就需要创建一个heap_info对象info,并且加到mHeapCache中去。
我们发现在BpMemoryHeap的业务函数之前都会调用assertMapped()函数确定这个BpMemoryHeap对象中的匿名共享内存是否已经就绪。如果mHeapID为-1，表示还没有准备好，就需要执行一次映射匿名共享内存的操作。
在执行映射之前，先通过find_heap()函数查看在本进程中是否有其他映射到同一个MemoryHeapBase对象的BpMemoryHeap对象存在：
void BpMemoryHeap::assertMapped() const
{
if (mHeapId == -1) {
sp binder(const_cast(this)->asBinder());
sp heap(static_cast(find_heap(binder).get()));
heap->assertReallyMapped();
if (heap->mBase != MAP_FAILED) { 说明这个heap对象的匿名共享内存已经映射好了，有可能是别的对象映射的
Mutex::Autolock _l(mLock);
if (mHeapId == -1) { 说明正在执行assertMapped函数的BpMemoryHeap对象和前面find()查找BpMemoryHeap对象不是同一个对象，需要初始化BpMemoryHeap对象的相关变量 mBase = heap->mBase;
mSize = heap->mSize;
mOffset = heap->mOffset;
android_atomic_write( dup( heap->mHeapId ), &mHeapId );
}
} else {
// something went wrong
free_heap(binder);
}
}
}然后再调用这个BpMemoryHeap对象heap->assertReallyMapped()函数确定内部的共享内存是否已经映射了。
如果mHeapId为-1.表示在Server端的MemoryHeapBase对象中的匿名共享内存还没映射到本进程中来，于是就需要一个Binder进程间调用吧Server端的MemoryHeapBase对象中的匿名共享内存信息取回来。
void BpMemoryHeap::assertReallyMapped() const
{
if (mHeapId == -1) {
Parcel data, reply;
data.writeInterfaceToken(IMemoryHeap::getInterfaceDescriptor());
status_t err = remote()->transact(HEAP_ID, data, &reply);
int parcel_fd = reply.readFileDescriptor();
ssize_t size = reply.readInt32();
uint32_t flags = reply.readInt32();
uint32_t offset = reply.readInt32();
int fd = dup( parcel_fd );
int access = PROT_READ;
if (!(flags & READ_ONLY)) {
access |= PROT_WRITE;
}
Mutex::Autolock _l(mLock);
if (mHeapId == -1) {
mRealHeap = true;
mBase = mmap(0, size, access, MAP_SHARED, fd, offset);
if (mBase == MAP_FAILED) {
LOGE("cannot map BpMemoryHeap (binder=%p), size=%ld, fd=%d (%s)",
asBinder().get(), size, fd, strerror(errno));
close(fd);
} else {
mSize = size;
mFlags = flags;
mOffset = offset;
android_atomic_write(fd, &mHeapId);
}
}
}
}
取回来的信息包括文件描述符，大小以及访问属性，获得这些信息之后就可以对它进行内存映射操作了。
这样BpMemoryHeap对象的匿名共享内存就已经准备就绪了，我们可以通过使用它的mBase成员变量直接访问这块匿名共享内存了。
总结：
1）new BpMemoryHeap(sp
2）首先通过assertMapped()函数判断是否已经准备就绪
3）成员变量mHeapCache维持着当前进程中所有BpMemoryHeap对象的引用，进程中第一个BpMemoryHeap对象需要先映射。
4）通过binder关键字在find_heap函数中查找当前进程中是否已经有其他的BpMemoryHeap对象引用，如果有就直接增加引用计数，否则需要将本BpMemoryHeap对象引用添加到mHeapCache中。
5）调用assertReallyMapped()判断上面找到的BpMemoryHeap引用是否已经映射好内存了，如果没有需要映射。
6）判断上面find_heap找到的BpMemoryHeap对象是否和当前对象是同一个对象，如果过不是同一个对象，需要设置当前对象的mBase，mSize，mOffset， mHeapId等参数。
MemoryBase
我们知道MemoryBase是建立在MemoryHeapBase的基础上，他们都可以作为一个Binder对象在进程间数据共享。
在MemoryBase类内部包含一个成员变量sp
MemoryBase类在Server端的实现和MemoryHeapBase类在Server端的实现是类似的，只需要将IMemory类换成IMemoryHeap类，将BnMemory类换成BnMemoryHeap类，将MemoryBase类替换成MemoryHeapBase类就可以了。这里我们只见到分析IMemory和MemoryBase类：
IMemory接口
frameworks/base/include/binder/IMemory.h
class IMemory : public IInterface
{
public:
DECLARE_META_INTERFACE(Memory);
// 获取内部MemoryHeapBase对象的IMemoryHeap接口
virtual sp getMemory(ssize_t* offset=0, size_t* size=0) const = 0;
void* fastPointer(const sp& heap, ssize_t offset) const;
void* pointer() const; // 获取内部所维护的匿名共享内存的基地址
size_t size() const; // 获取内部所维护的匿名共享内存的大小
ssize_t offset() const;// 获取内部所维护的匿名共享内存在整个匿名共享内存中的偏移量
}; frameworks/base/libs/binder/IMemory.cpp
void* IMemory::pointer() const {
ssize_t offset;
sp heap = getMemory(&offset);
void* const base = heap!=0 ? heap->base() : MAP_FAILED;
if (base == MAP_FAILED)
return 0;
return static_cast(base) + offset;
} IMemory类的子类MemoryBase只需要实现getMemory成员函数就可以了。
MemoryBase实现类：
frameworks/base/include/binder/MemoryBase.h
class MemoryBase : public BnMemory
{
public:
MemoryBase(const sp& heap, ssize_t offset, size_t size);
virtual ~MemoryBase();
virtual sp getMemory(ssize_t* offset, size_t* size) const;
protected:
size_t getSize() const { return mSize; }
ssize_t getOffset() const { return mOffset; }
const sp& getHeap() const { return mHeap; }
private:
size_t mSize;
ssize_t mOffset;
sp mHeap;
}; 定义在frameworks/base/libs/binder/MemoryBase.cpp
sp MemoryBase::getMemory(ssize_t* offset, size_t* size) const
{
if (offset) *offset = mOffset;
if (size) *size = mSize;
return mHeap;
}
成员函数getMemory()比较简单，就是返回内部的MemoryHeapBase对象的IMemoryHeap接口。
BpMemory客户端代理类：
frameworks/base/libs/binder/IMemory.cpp
class BpMemory : public BpInterface
{
public:
BpMemory(const sp& impl);
virtual ~BpMemory();
virtual sp getMemory(ssize_t* offset=0, size_t* size=0) const;
private:
mutable sp mHeap;
mutable ssize_t mOffset;
mutable size_t mSize;
}; 和MemoryBase类一样，它实现了IMemory类和getMemory成员函数，在成员变量中mHeap为sp
sp BpMemory::getMemory(ssize_t* offset, size_t* size) const
{
if (mHeap == 0) {
Parcel data, reply;
data.writeInterfaceToken(IMemory::getInterfaceDescriptor());
if (remote()->transact(GET_MEMORY, data, &reply) == NO_ERROR) {
sp heap = reply.readStrongBinder();
ssize_t o = reply.readInt32();
size_t s = reply.readInt32();
if (heap != 0) {
mHeap = interface_cast(heap);
if (mHeap != 0) {
mOffset = o;
mSize = s;
}
}
}
}
if (offset) *offset = mOffset;
if (size) *size = mSize;
return mHeap;
} 如果成员变量mHeap的值为0，表示这个BpMemory对象尚未建立好匿名共享内存，于是通过Binder进程间调用去Server端请求建立匿名共享内存信息，最重要的是Server端的MemoryHeapBase对象的引用heap。通过这个引用可以在Client端进程中创建一个BpMemoryHeap远程接口，最后将这个BpMemoryHeap远程接口保存到成员变量mHeap中。