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MemoryFile 共享内存原理分析

原理
2023-04-18 14:25:48 时间
Android 上层提供了一些内存共享工具类，比如 MemoryFile。你使用过吗？知道它的实现原理吗？

MemoryFile 是 Java 层对 Ashmem 的一个封装，下面来一起学习 MemoryFile，掌握它的使用姿势和底层原理。

MemoryFile 使用方法大致如下：

「进程 A 中申请一块共享内存写入数据，并准备好文件描述符：」

MemoryFile memoryFile = new MemoryFile(name, size);
memoryFile.getOutputStream().write(data);
Method method = MemoryFile.class.getDeclaredMethod("getFileDescriptor");
FileDescriptor des = (FileDescriptor) method.invoke(memoryFile);
ParcelFileDescriptor pfd = ParcelFileDescriptor.dup(des);

「进程 B 中通过 binder 拿到 A 进程中准备好的文件描述符，然后直接读取数据：」

FileDescriptor descriptor = pfd.getFileDescriptor();
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(descriptor);
fileInputStream.read(data);

如上代码所示，使用起来和文件读写一样很简单，但我们不能只停留在仅会使用的浅显层面。接着来看 MemoryFile 是怎么从 Java API 调用到 Ashmem 驱动函数的，先来看 MemoryFile 的构造函数：

public MemoryFile(String name, int length) throws IOException {    
try { 
mSharedMemory = SharedMemory.create(name, length);        
mMapping = mSharedMemory.mapReadWrite();    
} catch (ErrnoException ex) {        
ex.rethrowAsIOException();   
 }
}

可以看到构造 MemoryFile 时通过 SharedMemory create 方法申请了一块匿名共享内存，SharedMemory create 方法中调用了 nCreate native 方法：

private static native FileDescriptor nCreate(String name, int size) throws ErrnoException;

对应的 native 实现在 android_os_SharedMemory.cpp 中，实现如下：

static jobject SharedMemory_create(JNIEnv* env, jobject, jstring jname, jint size) {    
const char* name = jname ? envGetStringUTFChars(jname, nullptr) : nullptr;   
int fd = ashmem_create_region(name, size); //创建匿名共享内存    
...   
 return jniCreateFileDescriptor(env, fd);
}

接着来看 ashmem_create_region 方法，它的对应实现在 ashmem-dev.cpp 中，如下：

int ashmem_create_region(const char *name, size_t size){  
  int ret, save_errno;    //创建匿名共享内存
int fd = __ashmem_open();    
 if (fd < 0) { return fd;}    
if (name) {       
 char buf[ASHMEM_NAME_LEN] = {0};     
   strlcpy(buf, name, sizeof(buf));     
   // 设置 Ashmem 名字
ret = TEMP_FAILURE_RETRY(ioctl(fd, ASHMEM_SET_NAME, buf));  
       if (ret < 0) {goto error; }   
 }
}

如上设置 Ashmem 名字执行了 ioctl 系统调用， 它会进一步调用到 「ashmem_ioctl」 驱动函数。接着来看 __ashmem_open 方法：

static int __ashmem_open(）{
int fd;   
 pthread_mutex_lock(&__ashmem_lock);    
fd = __ashmem_open_locked(); //创建匿名共享内存
 pthread_mutex_unlock(&__ashmem_lock);    
return fd;
}

进一步调用到 __ashmem_open_locked 方法，如下：

#define ASHMEM_DEVICE "/dev/ashmem" //Ashmem 设备驱动
static int __ashmem_open_locked(){
int ret;    
struct stat st;   
 int fd = TEMP_FAILURE_RETRY(          
      open(ASHMEM_DEVICE, O_RDWR | O_CLOEXEC)); //创建匿名共享内存  
  ...    return fd;
}

在 __ashmem_open_locked 方法中调用了 open() 系统调用，和 ioctl 一样，对应到 Ashmem 设备驱动函数了，即 「ashmem_open」 驱动函数。

通过上面的分析知道 Ashmem 驱动的 ashmem_open 函数是由 SharedMemory 的 create 方法触发一步一步调用到的，期间还调用了 ashmem_ioctl 函数。

而 ashmem_mmap 驱动函数是通过 SharedMemory 的 mapReadWrite 方法触发，下面来分析这个过程：

//android.os.SharedMemory.java
public @NonNull ByteBuffer mapReadWrite() throws ErrnoException {    
return map(OsConstants.PROT_READ | OsConstants.PROT_WRITE, 0, mSize);
}

public @NonNull ByteBuffer map(int prot, int offset, int length) throws ErrnoException {    
...   
 long address = Os.mmap(0, length, prot, OsConstants.MAP_SHARED, mFileDescriptor, offset);    
...    return new DirectByteBuffer(length, address, mFileDescriptor, unmapper, readOnly);}

比较关键的是 mFileDescriptor，它是执行 SharedMemory create 方法申请匿名共享内存后，返回的文件描述符。继续来跟踪 mmap 调用：

//android.system.Os.java
public static long mmap(long address, long byteCount, int prot, int flags, FileDescriptor fd, long offset) throws ErrnoException {    
return Libcore.os.mmap(address, byteCount, prot, flags, fd, offset);
}

//libcore.io.Libcore.java
public final class Libcore {    
private Libcore() { }    
public static Os rawOs = new Linux();  
  public static Os os = new BlockGuardOs(rawOs);
}

//libcore.io.Linux.java
public native long mmap(long address, long byteCount, int prot, int flags, FileDescriptor fd, long offset) throws ErrnoException;

Libcore 中使用 BlockGuardOs 对 Linux 进行了一层包装，但实际还是通过 Linux 来执行的，最后调用到 Linux 中的 native mmap 方法，native 中对应的实现是 mmap.cpp：

void* mmap(void* addr, size_t size, int prot, int flags, int fd, off_t offset) {   
 return mmap64(addr, size, prot, flags, fd, static_cast<off64_t>(offset));
}

到此为止，由 SharedMemory 的 mapReadWrite 方法调用到 native mmap 函数，传递的关键参数是文件描述符，后续它将这样调用到 ashmem_mmap：

  1. 通过 fd 可以找到所属设备，也就是 Ashmem 设备
  2. 调用 Ashmem 设备的 ashmem_mmap 驱动函数

关键代码如下：

if(file){  
  ...
    error = file->f_op->mmap(file,vma);   
 ...
}

file 代表文件或设备驱动，这里指的就是 Ashmem 设备，f_op 就是 Ashmem 设备驱动函数集，也就是注册的 Ashmem 设备描述，至此便是 ashmem_mmap 驱动函数的调用过程。

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