Android中mmap原理及應用簡析

時間  2019-11-06
標籤 android mmap 原理 應用 欄目 Android 简体版
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mmap是Linux中經常使用的系統調用API，用途普遍，Android中也有很多地方用到，好比匿名共享內存，Binder機制等。本文簡單記錄下Android中mmap調用流程及原理。mmap函數原型以下：node

void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offsize);
複製代碼

幾個重要參數android

  • 參數start：指向欲映射的內存起始地址，一般設爲 NULL，表明讓系統自動選定地址，映射成功後返回該地址。
  • 參數length：表明將文件中多大的部分映射到內存。
  • 參數prot：映射區域的保護方式。能夠爲如下幾種方式的組合：

返回值是void *類型，分配成功後，被映射成虛擬內存地址。cookie

mmap屬於系統調用，用戶控件間接經過swi指令觸發軟中斷，進入內核態（各類環境的切換），進入內核態以後，即可以調用內核函數進行處理。 mmap->mmap64->__mmap2->sys_mmap2-> sys_mmap_pgoff ->do_mmap_pgoffapp

/Users/personal/source_code/android/platform/bionic/libc/bionic/mmap.cpp:ionic

mmap用戶空間系統調用

/Users/personal/source_code/android/platform/bionic/libc/arch-arm/syscalls/__mmap2.S:函數

mmap bionic彙編

而 __NR_mmap在系統函數調用表中對應的減值以下：ui

image.png

經過系統調用，執行swi軟中斷，進入內核態，最終映射到call.S中的內核函數：sys_mmap2spa

image.png

sys_mmap2最終經過sys_mmap_pgoff在內核態完成後續邏輯。3d

image.png

sys_mmap_pgoff經過宏定義實現code

/Users/personal/source_code/android/kernel/common/mm/mmap.c:

image.png

進而調用do_mmap_pgoff：

/Users/personal/source_code/android/kernel/common/mm/mmap.c:

image.png 

unsigned long do_mmap_pgoff(struct file *file, unsigned long addr,
			unsigned long len, unsigned long prot,
			unsigned long flags, unsigned long pgoff,
			unsigned long *populate)
{
	struct mm_struct * mm = current->mm;
	struct inode *inode;
	vm_flags_t vm_flags;

	*populate = 0;
    ...
	<!--獲取用戶空間有效虛擬地址-->
	addr = get_unmapped_area(file, addr, len, pgoff, flags);
	...
	inode = file ? file_inode(file) : NULL;
   ...
   <!--分配，映射，更新頁表-->
	addr = mmap_region(file, addr, len, vm_flags, pgoff);
	if (!IS_ERR_VALUE(addr) &&
	    ((vm_flags & VM_LOCKED) ||
	     (flags & (MAP_POPULATE | MAP_NONBLOCK)) == MAP_POPULATE))
		*populate = len;
	return addr;
}
複製代碼

get_unmapped_area用於爲用戶空間找一塊內存區域，

unsigned long
get_unmapped_area(struct file *file, unsigned long addr, unsigned long len,
		unsigned long pgoff, unsigned long flags)
{
	unsigned long (*get_area)(struct file *, unsigned long,
				  unsigned long, unsigned long, unsigned long);
	...
	get_area = current->mm->get_unmapped_area;
	if (file && file->f_op && file->f_op->get_unmapped_area)
		get_area = file->f_op->get_unmapped_area;
	addr = get_area(file, addr, len, pgoff, flags);
	...
	return error ? error : addr;
}
複製代碼

current->mm->get_unmapped_area通常被賦值爲arch_get_unmapped_area_topdown，

image.png 

unsigned long
arch_get_unmapped_area_topdown(struct file *filp, const unsigned long addr0,
			const unsigned long len, const unsigned long pgoff,
			const unsigned long flags)
{
	struct vm_area_struct *vma;
	struct mm_struct *mm = current->mm;
	unsigned long addr = addr0;
	int do_align = 0;
	int aliasing = cache_is_vipt_aliasing();
	struct vm_unmapped_area_info info;

	...	
	
	addr = vm_unmapped_area(&info);
   ...
	return addr;
}
複製代碼

先找到合適的虛擬內存（用戶空間），幾經週轉後，調用相應文件或者設備驅動中的mmap函數，完成該設備文件的mmap，至於如何處理處理虛擬空間，要看每一個文件的本身的操做了。

image.png

這裏有個很關鍵的結構體

const struct file_operations	*f_op;
複製代碼

它是文件驅動操做的入口，在open的時候，完成file_operations的綁定，open流程跟mmap相似

open系統調用

open系統調用

image.png

image.png

image.png

先經過get_unused_fd_flags獲取個未使用的fd，再經過do_file_open完成file結構體的建立及初始化，最後經過fd_install完成fd與file的綁定。

image.png

重點看下path_openat：

static struct file *path_openat(int dfd, struct filename *pathname,
		struct nameidata *nd, const struct open_flags *op, int flags)
{
	struct file *base = NULL;
	struct file *file;
	struct path path;
	int opened = 0;
	int error;

	file = get_empty_filp();
	if (IS_ERR(file))
		return file;

	file->f_flags = op->open_flag;

	error = path_init(dfd, pathname->name, flags | LOOKUP_PARENT, nd, &base);
	if (unlikely(error))
		goto out;

	current->total_link_count = 0;
	error = link_path_walk(pathname->name, nd);
	if (unlikely(error))
		goto out;

	error = do_last(nd, &path, file, op, &opened, pathname);
	while (unlikely(error > 0)) { /* trailing symlink */
		struct path link = path;
		void *cookie;
		if (!(nd->flags & LOOKUP_FOLLOW)) {
			path_put_conditional(&path, nd);
			path_put(&nd->path);
			error = -ELOOP;
			break;
		}
		error = may_follow_link(&link, nd);
		if (unlikely(error))
			break;
		nd->flags |= LOOKUP_PARENT;
		nd->flags &= ~(LOOKUP_OPEN|LOOKUP_CREATE|LOOKUP_EXCL);
		error = follow_link(&link, nd, &cookie);
		if (unlikely(error))
			break;
		error = do_last(nd, &path, file, op, &opened, pathname);
		put_link(nd, &link, cookie);
	}
out:
	if (nd->root.mnt && !(nd->flags & LOOKUP_ROOT))
		path_put(&nd->root);
	if (base)
		fput(base);
	if (!(opened & FILE_OPENED)) {
		BUG_ON(!error);
		put_filp(file);
	}
	if (unlikely(error)) {
		if (error == -EOPENSTALE) {
			if (flags & LOOKUP_RCU)
				error = -ECHILD;
			else
				error = -ESTALE;
		}
		file = ERR_PTR(error);
	}
	return file;
}
複製代碼

拿Binder設備文件爲例子，在註冊該設備驅動的時候，對應的file_operations已經註冊好了，

image.png

image.png

open的時候，只須要根根inode節點，獲取到file_operations既可，而且，在open成功後，要回調file_operations中的open函數

image.png

open後，就能夠利用fd找到file，以後利用file中的file_operations *f_op調用相應驅動函數，接着看mmap。

Binder mmap 的做用及原理（一次拷貝）

Binder機制中mmap的最大特色是一次拷貝便可完成進程間通訊。Android應用在進程啓動之初會建立一個單例的ProcessState對象，其構造函數執行時會同時完成binder mmap，爲進程分配一塊內存，專門用於Binder通訊，以下。

ProcessState::ProcessState(const char *driver)
    : mDriverName(String8(driver))
    , mDriverFD(open_driver(driver))
    ...
 {
    if (mDriverFD >= 0) {
        // mmap the binder, providing a chunk of virtual address space to receive transactions.
        mVMStart = mmap(0, BINDER_VM_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE, mDriverFD, 0);
        ...
    }
}
複製代碼

第一個參數是分配地址，爲0意味着讓系統自動分配，流程跟以前分子相似，先在用戶空間找到一塊合適的虛擬內存，以後，在內核空間也找到一塊合適的虛擬內存，修改兩個控件的頁表，使得二者映射到同一塊物力內存。

Linux的內存分用戶空間跟內核空間，同時頁表有也分兩類，用戶空間頁表跟內核空間頁表，每一個進程有一個用戶空間頁表，可是系統只有一個內核空間頁表。而Binder mmap的關鍵是：也更新用戶空間對應的頁表的同時也同步映射內核頁表，讓兩個頁表都指向同一塊地址，這樣一來，數據只須要從A進程的用戶空間，直接拷貝拷貝到B所對應的內核空間，而B多對應的內核空間在B進程的用戶空間也有相應的映射，這樣就無需從內核拷貝到用戶空間了。

static int binder_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
	int ret;
    ...
	if ((vma->vm_end - vma->vm_start) > SZ_4M)
		vma->vm_end = vma->vm_start + SZ_4M;
   ...
	// 在內核空間找合適的虛擬內存塊
	area = get_vm_area(vma->vm_end - vma->vm_start, VM_IOREMAP);
   proc->buffer = area->addr;
   <!--記錄用戶空間虛擬地址跟內核空間虛擬地址的差值-->
   proc->user_buffer_offset = vma->vm_start - (uintptr_t)proc->buffer;
		...
	proc->pages = kzalloc(sizeof(proc->pages[0]) * ((vma->vm_end - vma->vm_start) / PAGE_SIZE), GFP_KERNEL);
   ..<!--分配page，並更新用戶空間及內核空間對應的頁表-->
	ret = binder_update_page_range(proc, 1, proc->buffer, proc->buffer + PAGE_SIZE, vma);
	...
	return ret;
}
複製代碼

binder_update_page_range完成了內存分配、頁表修改等關鍵操做：

static int binder_update_page_range(struct binder_proc *proc, int allocate,
            void *start, void *end,
            struct vm_area_struct *vma)
{
...
 <!--一頁頁分配-->
for (page_addr = start; page_addr < end; page_addr += PAGE_SIZE) {
	int ret;
	struct page **page_array_ptr;
	<!--分配一頁-->
	page = &proc->pages[(page_addr - proc->buffer) / PAGE_SIZE];
	*page = alloc_page(GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM | __GFP_ZERO);
	...
	<!-- 修改頁表，讓物理空間映射到內核空間-->
	ret = map_vm_area(&tmp_area, PAGE_KERNEL, &page_array_ptr);
	..
	 <!--根據以前記錄過差值，計算用戶空間對應的虛擬地址-->
	user_page_addr =
		(uintptr_t)page_addr + proc->user_buffer_offset;
	<!--修改頁表，讓物理空間映射到用戶空間-->
	ret = vm_insert_page(vma, user_page_addr, page[0]);
}
...
  return -ENOMEM;
}
複製代碼

能夠看到，binder一次拷貝的關鍵是，完成內存的時候，同時完成了內核空間跟用戶空間的映射，也就是說，同一份物理內存，既能夠在用戶空間，用虛擬地址訪問，也能夠在內核空間用虛擬地址訪問。

普通文件mmap原理

普通文件的訪問方式有兩種：第一種是經過read/write系統調訪問，先在用戶空間分配一段buffer，而後，進入內核，將內容從磁盤讀取到內核緩衝，最後，拷貝到用戶進程空間，至少牽扯到兩次數據拷貝；同時，多個進程同時訪問一個文件，每一個進程都有一個副本，存在資源浪費的問題。

另外一種是經過mmap來訪問文件，mmap()將文件直接映射到用戶空間，文件在mmap的時候，內存並未真正分配，只有在第一次讀取/寫入的時候纔會觸發，這個時候，會引起缺頁中斷，在處理缺頁中斷的時候，完成內存也分配，同時也完成文件數據的拷貝。而且，修改用戶空間對應的頁表，完成到物理內存到用戶空間的映射，這種方式只存在一次數據拷貝，效率更高。同時多進程間經過mmap共享文件數據的時候，僅須要一塊物理內存就夠了。

共享內存中mmap的使用

共享內存是在普通文件mmap的基礎上實現的，其實就是基於tmpfs文件系統的普通mmap，有機會再分析，再也不囉嗦。

做者：看書的小蝸牛

Android中mmap原理及應用簡析

僅供參考，歡迎指正

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