ION设计的目标

为了避免内存碎片化，或者为一些有着特殊内存需求的硬件，比如GPUs、display controller以及camera等，在系统启动的时候，会为他们预留一些memory pools，这些memory pools就由ION来管理。通过ION就可以在硬件以及user space之间实现zero-copy的内存share。

ION的实现

ION通过ION heaps来展示presents它对应的memory pools。不同的Android硬件可能会要求不同的ION heaps实现，默认的ION驱动会提供如下三种不同的ION heaps实现：ION_HEAP_TYPE_SYSTEM: memory allocated via vmalloc_user()

ION_HEAP_TYPE_SYSTEM_CONTIG: memory allocated via kzalloc

. ION_HEAP_TYPE_CARVEOUT: carveout memory is physically contiguous and set aside at boot.

开发者可以自己实现更多的ION heaps。比如NVIDIA就提交了一种ION_HEAP_TYPE_IOMMU的heap，这种heap带有IOMMU功能。

不管哪一种ION heaps实现，他们都必须实现如下接口：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);    struct scatterlist *(*map_dma) (struct ion_heap *heap,             struct ion_buffer *buffer);    void (*unmap_dma) (struct ion_heap *heap,

struct ion_buffer *buffer);    void * (*map_kernel) (struct ion_heap *heap,

struct ion_buffer *buffer);    void (*unmap_kernel) (struct ion_heap *heap,

struct ion_buffer *buffer);    int (*map_user) (struct ion_heap *heap, struct ion_buffer *buffer,             struct vm_area_struct *vma);

};

简单来说，接口的各个函数功能如下：allocate()和free()分别用来从heap中分配或者释放一个ion_buffer对象

对于物理连续的内存，phys()用来得到ion_buffer对象的物理内存地址及其大小。如果heap没有提供物理连续的内存，那么它也可以不用提供这个接口。其中，ion_phys_addr_t将来会被定义在/include/linux/types.h中的phys_addr_t替代。

map_kernel()和unmap_kernel()分别用来把physical memory映射(map)到内核虚拟地址空间(kernel virtual address space)或者取消映射

map_user()用来把physical memory映射(map)到用户内存空间(user space)。为什么没有对应的unmap_user()呢？因为，这个映射用一个file descriptor来表示，当这个file descriptor关闭的时候，这个映射关系就自动取消了。

在user space使用ION

使用场景

典型的，在用户空间使用的设备访问库(user space device access libraries)一般使用ION来分配大块连续的media buffers。比如，still camera library分配一个capture buffer来供camera device使用。当这个buffer填满video data的时候，这个library就能把这块buffer传递给kernel，然后让JPEG硬编码模块来处理。

具体使用细节

在user space 的C/C++程序能够能够分配ION内存之前，它必须获得访问/dev/ion的权限。通过调用open("/dev/ion", O_RDONLY)就可获得一个以handle形式返回的file descriptor，这个file descriptor用来代表一个ION client。注意，虽然传给open一个O_RDONLY参数，但是你仍然可对这块memory进行写操作。在一个user process中最多有一个client。当有了一个client之后，就可以开始分配ION内存。为了分配内存，client必须填满下面的ion_allocation_data结构，handle除外，因为它是output参数。其他三个参数分别指明内存的大小、对齐方式以及flags。flags是一个bit mask，用来说明可以从哪些heaps中分配想要的内存。其决定顺序由系统启动时，通过ion_device_add_heap()添加的heap顺来决定。比如，ION_HEAP_TYPE_CARVEOUT是在ION_HEAP_TYPE_CONTIG之前被add的，那么如果flags = ION_HEAP_TYPE_CONTIG | ION_HEAP_TYPE_CARVEOUT，那么就是先尝试分配ION_HEAP_TYPE_CARVEOUT类型的heap，如果不行，再尝试分配ION_HEAP_TYPE_CONTIG类型的heap。()struct ion_allocation_data {

size_t len;        size_t align;        unsigned int flags;        struct ion_handle *handle;

}

user space通过ioctl()系统接口来与ION交互。在client填充ion_allocatoin_data结构之后，就可以通过调用int ioctl(int client_fd, ION_IOC_ALLOC, struct ion_allocation_data *allocation_data)来allocate a buffer。这个调用介绍之后，分配的buffer会通过ion_allocatoin_data的handle来返回，但是CPU不可以访问这个buffer。这个handle只可以通过调用int ioctl(int client_fd, ION_IOC_SHARE, struct ion_fd_data *fd_data);来获得一个用来share的file descriptor。这里，client_fd参数是前面通过open获得的一个对应/dev/ion file descriptor，fd_data是如下的数据结构，其handle对应ion_allocation_data::handle，是input参数；fd则是output参数，可以用来share。

当一个user process中的client分享(share)了这个fd之后，在其他user process中(当然，也可share给创建这个fd的client自己)，为了获得这个shared buffer，先必须通过调用open("/dev/ion", O_RDONLY)获得一个client。(注：ION通过线程的PID来track各个client， 尤其是process中的"group leader"线程的PID。在相同的process中重复调用open("/dev/ion", O_RDONLY)只会获得指向kernel同一个client的another file descriptor)。获得client之后，然后再通过mmap()函数来把这个fd映射到address space of process(mmap函数参考1，参考2)。如果要释放这个fd对应的buffer，在调用mmap()的process中，先要通过munmap()来取消mmap()的效果。然后在之前share这个fd的client中，需要通过int ioctl(int client_fd, ION_IOC_FREE, struct ion_handle_data *handle_data);来关闭这个fd对应的file descriptor。其中，ion_handle_data表示前面通过ION_IOC_ALLOC命令获得的handle，其定义如下：struct ion_handle_data {

struct ion_handle *handle;

}

这个ION_IOC_FREE命令会导致对应的handle的计数减1。当handle计数为0的时候，其指向的ion_handle对象就会被销毁，并且相关的ION bookkeeping数据结构也会更新。

Demo

在这个Demo中，fd在同一个client中被share使用：来源#include#include #include #include #include #include #include "/home/developer/kernel3.4/goldfish/include/linux/ion.h"void main(){    struct ion_fd_data fd_data;

struct ion_allocation_data ionAllocData;

ionAllocData.len=0x1000;

ionAllocData.align = 0;

ionAllocData.flags = ION_HEAP_TYPE_SYSTEM;    int fd=open("/dev/ion",O_RDWR);

ioctl(fd,ION_IOC_ALLOC, &ionAllocData);

fd_data.handle = ionAllocData.handle;

ioctl(fd,ION_IOC_SHARE,&fd_data);

int *p = mmap(0,0x1000,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd_data.fd,0);

p[0]=99;

perror("test");    printf("hello all %d\n",p[0]);

}

在kernel中share ION buffer

在kernel中支持multiple clients，每一个使用ION功能的driver都可以在kernel中对应一个client。一个kernel driver通过调用struct ion_client *ion_client_create(struct ion_device *dev, unsigned int heap_mask, const char *debug_name)来获得一个ION client handle(注意，前面在user space中通过open("/dev/ion", O_RDONLY)返回的client是int类型)。dev参数是一个和/dev/ion相关的global ION device，heap_mask参数和之前提到的ion_allocation_data的flags成员一样的含义。

当在user space中通过ION_IOC_SHARE命令得到一个buffer的file descriptor并把它传递给kernel之后，kernel driver通过调用struct ion_handle *ion_import_fd(struct ion_client *client, int fd_from_user);来把这个fd变成一个ion_handle对象，这个对象就是这个driver中对相应的buffer一个client-local reference。ion_import_fd方法会根据这个buffer的物理地址来查找：在本client中是否已经obtained一个对应此buffer的ion_handle，如果是的话，那么就可以简单的增加这个ion_handle的引用计数即可。

有些硬件只能通过physical addresses来操作physically-contiguous buffers，那么，这些对应的drivers就需要通过调用int ion_phys(struct ion_client *client, struct ion_handle *handle, ion_phys_addr_t *addr, size_t *len)来把ion_handle转变成一个physical buffer。当然，如果这个buffer不是physically contiguous，那么这个调用就会失败。

当处理一个来自client的调用时，ION会validates 输入的 file descriptor, client and handle arguments。比如ION会确保 file descriptor是由ION_IOC_SHARE命令创建的；比如当ion_phys()调用时，ION会检测这个buffer是否在这个client对应有访问权限list中，如果不是，那么就会返回错误。这样的验证机制能够减少可能的unwanted accesses以及疏忽的内存泄露。

ION通过debugfs提供可视化的debug，它通过在/sys/kernel/debug/ion下面，使用stored files来记录相应的heaps和clients，并使用symbolic names或者PIDs来标志。

比较ION和DMABUFION和DMABUF都是通过传递一个匿名file descriptor对象，给其他client一个基于引用计数的访问权限，从而达到分享内存的目的。

ION通过一个可分享和追踪的方式从预留的memory pool中分配内存。

DMABUF更多的专注于buffer导入、导出以及同步的方式来实现在NON-ARM架构上的buffer的分享。

ION目前只支持Android kernel

ION所有的user-space program都可以通过/dev/ion接口来分配ION内存。但是在Android会通过验证user和group IDs的方式来阻止对ION的非授权访问。

作者：Android高级架构

链接：https://www.jianshu.com/p/f2b8e5100470