android之ION内存管理器（1）-- 简介

by JHJ(jianghuijun211@gmail.com)

为什么需要ION

回顾2011年末[2]，LWN审查了android kernel patch[3]，以期望将这些patch合并到kernel主线中。但是PMEM（android实现的一个内存分配器）使这个愿望破灭了。为什么PMEM不被linux 社区接受的原因在[3]中有讲到。从那开始，PMEM很明确会被完全抛弃，取而代之的是ION内存管理器。ION是google在Android4.0 ICS为了解决内存碎片管理而引入的通用内存管理器，它会更加融合kernel。目前QCOM MSM, NVDIA Tegra, TI OMAP, MRVL PXA都用ION替换PMEM。

如何获取source code

http://android.googlesource.com/kernel/common.git

ION codes reside in drivers/gpu/ion

Specific usage examples on omap4:

http://android.googlesource.com/kernel/omap.git

ION 框架[1]

ION 定义了四种不同的heap，实现不同的内存分配策略。

ION_HEAP_TYPE_SYSTEM : 通过vmalloc分配内存
ION_HEAP_TYPE_SYSTEM_CONTIG: 通过kmalloc分配内存
ION_HEAP_TYPE_CARVEOUT: 在保留内存块中（reserve memory）分配内存
ION_HEAP_TYPE_CUSTOM: 由客户自己定义

下图是两个client共享内存的示意图。图中有2个heap（每种heap都有自己的内存分配策略），每个heap中分配了若干个buffer。client的handle管理到对应的buffer。两个client是通过文件描述符fd来实现内存共享的。

ION APIs

用户空间 API

定义了6种 ioctl 接口，可以与用户应用程序交互。

ION_IOC_ALLOC: 分配内存
ION_IOC_FREE: 释放内存
ION_IOC_MAP: 获取文件描述符进行mmap (? 在code中未使用这个定义)
ION_IOC_SHARE: 创建文件描述符来实现共享内存
ION_IOC_IMPORT: 获取文件描述符
ION_IOC_CUSTOM: 调用用户自定义的ioctl

ION_IOC_SHARE 及ION_IOC_IMPORT是基于DMABUF实现的，所以当共享进程获取文件描述符后，可以直接调用mmap来操作共享内存。mmap实现由DMABUF子系统调用ION子系统中mmap回调函数完成。

内核空间 API

内核驱动也可以注册为一个ION的客户端（client），可以选择使用哪种类型的heap来申请内存。

ion_client_create: 分配一个客户端。
ion_client_destroy: 释放一个客户端及绑定在它上面的所有ion handle.

ion handle: 这里每个ion handle映射到一个buffer中，每个buffer关联一个heap。也就是说一个客户端可以操作多块buffer。

Buffer 申请及释放函数:

ion_alloc: 申请ion内存，返回ion handle
ion_free: 释放ion handle

ION 通过handle来管理buffer，驱动需要可以访问到buffer的地址。ION通过下面的函数来达到这个目的

ion_phys: 返回buffer的物理地址(address)及大小(size)
ion_map_kernel: 给指定的buffer创建内核内存映射
ion_unmap_kernel: 销毁指定buffer的内核内存映射
ion_map_dma: 为指定buffer创建dma 映射，返回sglist（scatter/gather list）
ion_unmap_dma: 销毁指定buffer的dma映射

ION是通过handle而非buffer地址来实现驱动间共享内存，用户空间共享内存也是利用同样原理。

ion_share: given a handle, obtain a buffer to pass to other clients
ion_import: given an buffer in another client, import it
ion_import_fd: given an fd obtained via ION_IOC_SHARE ioctl, import it

Heap API

Heap 接口定义 [drivers/gpu/ion/ion_priv.h]

这些接口不是暴露给驱动或者用户应用程序的。

/**
* struct ion_heap_ops - ops to operate on a given heap
* @allocate:           allocate memory
* @free:               free memory
* @phys                get physical address of a buffer (only define on physically contiguous heaps)
* @map_dma             map the memory for dma to a scatterlist
* @unmap_dma           unmap the memory for dma
* @map_kernel          map memory to the kernel
* @unmap_kernel        unmap memory to the kernel
* @map_user            map memory to userspace
*/
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 *mapper, struct ion_buffer *buffer, struct vm_area_struct *vma);
};

ION debug

ION 在/sys/kernel/debug/ion/ 提供一个debugfs 接口。

每个heap都有自己的debugfs目录，client内存使用状况显示在/sys/kernel/debug/ion/<<heap name>>

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

每个由pid标识的client也有一个debugfs目录/sys/kernel/debug/ion/<<pid>>

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

参考文献

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

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

3. http://lwn.net/Articles/472984/