Android学习之ION memory manager

Updated: 2013/03/18， 刚有时间浏览了最新的Android builder submit 2013的相关slides，其中有关于最新的android 对kernel的upstream的状态的总结，大家可以看看
http://events.linuxfoundation.org/images/stories/slides/abs2013_stultz.pdf

ION, 正在开发并准备进入staging

最近关注了一下android上kernel的一些变化，发现了一个很有意思的东西,ION.

1. 先看一下什么是ION
   ION与PMEM类似，管理一或多个内存池，其中有一些会在boot time的时候预先分配，以备给特殊的硬件使用（GPU，显示控制器等）。它通过ION heaps来管理这些pool。
   它可以被userspace的process之间或者内核中的模块之间进行内存共享
   
   
2. 关键数据结构
   kernel side
   

   用来管理内存池的相关操作的数据结构，它被ion core所使用，并没有暴露给userspace或者driver
   struct ion_heap_ops {
   	int (*allocate) (struct ion_heap *heap,
   			 struct ion_buffer *buffer, unsigned long len,
   			 unsigned long align, unsigned long flags);
   	void (*free) (struct ion_buffer *buffer);
   	int (*phys) (struct ion_heap *heap, struct ion_buffer *buffer,
   		     ion_phys_addr_t *addr, size_t *len); -->返回硬件连续的内存空间及长度
   	struct scatterlist *(*map_dma) (struct ion_heap *heap,
   			 struct ion_buffer *buffer);
   	void (*unmap_dma) (struct ion_heap *heap, 
   	         struct ion_buffer *buffer); --> xxx_dma管理到dma buffer的内存映射
   	void * (*map_kernel) (struct ion_heap *heap, 
   	         struct ion_buffer *buffer);
   	void (*unmap_kernel) (struct ion_heap *heap, 
   	         struct ion_buffer *buffer); --> xxx_kernel管理到kernel的virtual address的内存映射
   	int (*map_user) (struct ion_heap *heap, struct ion_buffer *buffer,
   			 struct vm_area_struct *vma); -->管理到用户空间的内存映射
      };

   
   目前提供三种类型的heap
   

   ION_HEAP_TYPE_SYSTEM: 使用vmalloc_user()分配的heap，这个对应ion_heap_ops中的map_user函数
   ION_HEAP_TYPE_SYSTEM_CONTIG: 通过kzalloc分配的heap
   ION_HEAP_TYPE_CARVEOUT:	在启动的时候就保留的物理上连续的内存块

   可以方便的加入新的heap类型，Nvidia就实现了一个基于IOMMU的heap。
   
   ion.h中虽然还定义了一个ION_HEAP_TYPE_CUSTOM，但是它并没有被实现。
   
   Kernel Driver间如何共享memory
   
   • kernel中使用ion_client_create来获得一个ion client的句柄，

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

   • 驱动通过userspace传递来的dev(/dev/ion)来获得一个ion client， 然后调用以下函数，把fd转换成driver认识的ion_handle objects

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

   • 如果像视频编解码硬件类似的driver需要操作物理上连续的空间，则还需要把ion_handle转换为一个物理连续的buffer
     

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

   • 
     
     
   ION通过debugfs来提供相应的调试接口
   
   userspace side
   ion通过/dev/ion设备来与用户侧的程序交互。userspace通过调用ioctl来进行内存的操作。
   当获得该设备文件的描述符后，通过操作ion_allocation_data来获得所要的内存空间
   

   struct ion_allocation_data {
           size_t len;
           size_t align;
           unsigned int flags;  -->可以制定从多种heap type来获得所要的空间，这里需要注意，指定了多个type时，分配的顺序是由boot时加载heap（ion_device_add_heap()）的顺序的LIFO。
           struct ion_handle *handle;
      }

   
   分配内存的ioctl
   

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

   请注意，userspace的操作都是基于打开的/dev/ion的文件描述符，通过它结合android中的IPC Binder来在多个process之间传递fd，来达到共享内存的目的！！
   相应的共享管理，依旧采用referrence count机制。
   
   目前总有六个ioctl cmd提供给userspace
   

   ION_IOC_ALLOC: 分配内存
   ION_IOC_FREE: 释放内存
   ION_IOC_MAP: 获得一个只想mmap映射的内存的文件描述符
   ION_IOC_SHARE: 创建一个指向共享的内存的文件描述符
   ION_IOC_IMPORT: 引入一个共享的文件描述符
   ION_IOC_CUSTOM: 调用平台自定义的ioctl

   其中ION_IOC_MAP/ION_IOC_SHARE使用一套代码完成，linaro建议只使用ION_IOC_SHARE这个cmd,以便能够不用区分实际map与mmap。
   
   
   
   
3. ION与DMABUF的比较
   dma_buf 与 ion_buffer类似
   dma_buf_attachment与ion_handle类似
   两者的主要关注的方面不同，如下图
   
   从中可以看出，DMABUF的适用面更广可以支持更多的平台，而ION目前只支持android。ION可以支持userspace端更方便的使用（这是android driver的通性），而DMABUF只有kernel端的API，通常只对driver/kernel开发者开放接口。
   
   目前Linaro正在努力整合CMA和ION,以期能够更好的利用ION的用户接口来利用DMABUF的DMA Mapping功能。
   
   
4. 关于如何使用它的例子
   正在check Linaro android的实现，找到对应的使用，会再更新这里
   
   

参考资料：

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

http://lwn.net/Articles/394665/

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