文章轉載至CSDN社區羅升陽的安卓之旅，原文地址：http://blog.csdn.net/luoshengyang/article/details/6664554
在上一文章Android系統匿名共享內存Ashmem（Anonymous Shared Memory）簡要介紹和學習計劃中， 我們簡要介紹了Android系統的匿名共享內存機制，其中，簡要提到了它具有輔助內存管理系統來有效地管理內存的特點，但是沒有進一步去了解它是如何實 現的。在本文中，我們將通過分析Android系統的匿名共享內存Ashmem驅動程序的源代碼，來深入了解它是如何輔助內存管理系
?? ? ? ?Android系統的匿名共享內存Ashmem機制并沒有自立山頭，從頭搞一套自己的共享內存機制，而是建立在Linux內核實現的共享內存的基礎上 的。與此同時，它又向Linux內存管理系統的內存回收算法注冊接口，告訴Linux內存管理系統它的某些內存塊不再使用了，可以被回收了，不過，這些不 再使用的內存需要由它的使用者來告訴Ashmem驅動程序。通過這種用戶-Ashmem驅動程序-內存管理系統三者的緊密合作，實現有效的內存管理機制， 適合移動設備小內存的特點。
?? ? ? ?Android系統的匿名共享內存Ashmem驅動程序利用了Linux的共享內存子系統導出的接口來實現自己的功能，因此，它的實現非常小巧，總共代 碼不到700行。雖然代碼很少，但是這里不打算機械式地一行一行地閱讀和分析Ashmem驅動程序的源代碼，而是通過使用情景來分析，這樣可以幫助我們清 晰地理解它的實現原理。我們這里所說的使用情景，將從Android系統的應用程序框架層提供的匿名共享內存接口開始，經過系統運行時庫層，最終到達驅動 程序層，通過這樣一個完整的過程來理解Android系統的匿名共享內存Ashmem機制。這里，我們將從上一篇文章Android系統匿名共享內存Ashmem（Anonymous Shared Memory）簡要介紹和學習計劃介紹的Android應用程序框架層提供MemoryFile接口開始，分別介紹Android系統匿名共享內存的創建（open）、映射（mmap）、讀寫（read/write）以及鎖定和解鎖（pin/unpin）四個使用情景。
?? ? ? ?在進入到這個四個使用情景前，我們先來看一下Ashmem驅動程序模塊的初始化函數，看看它給用戶空間暴露了什么接口，即它創建了什么樣的設備文件，以 及提供了什么函數來操作這個設備文件。Ashmem驅動程序實現在kernel/common/mm/ashmem.c文件中，它的模塊初始化函數定義為 ashmem_init：
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static?struct?file_operations?ashmem_fops?=?{?? ????.owner?=?THIS_MODULE,?? ????.open?=?ashmem_open,?? ????.release?=?ashmem_release,?? ????.mmap?=?ashmem_mmap,?? ????.unlocked_ioctl?=?ashmem_ioctl,?? ????.compat_ioctl?=?ashmem_ioctl,?? };?? ?? static?struct?miscdevice?ashmem_misc?=?{?? ????.minor?=?MISC_DYNAMIC_MINOR,?? ????.name?=?"ashmem",?? ????.fops?=?&ashmem_fops,?? };?? ?? static?int?__init?ashmem_init(void)?? {?? ????int?ret;?? ?? ????......?? ?? ????ret?=?misc_register(&ashmem_misc);?? ????if?(unlikely(ret))?{?? ????????printk(KERN_ERR?"ashmem:?failed?to?register?misc?device!\n");?? ????????return?ret;?? ????}?? ?? ????......?? ?? ????return?0;?? }?? ?? ? ? 這里，我們可以看到，Ahshmem驅動程序在加載時，會創建一個/dev/ashmem的設備文件，這是一個misc類型的設備。注冊misc設備是通過misc_register函數進行的，關于這個函數的詳細實現，可以參考前面Android日志系統驅動程序Logger源代碼分析一 文，調用這個函數成功后，就會在/dev目錄下生成一個ashmem設備文件了。同時，我們還可以看到，這個設備文件提供了open、mmap、 release和ioctl四種操作。為什么沒有read和write操作呢？這是因為讀寫共享內存的方法是通過內存映射地址來進行的，即通過mmap系 統調用把這個設備文件映射到進程地址空間中，然后就直接對內存進行讀寫了，不需要通過read 和write文件操作，后面我們將會具體分析是如何實現的。
?? ? ? ?一. 匿名共享內存的創建操作
?? ? ? ?在Android應用程序框架層提供MemoryFile類的構造函數中，進行了匿名共享內存的創建操作，我們先來看一下這個構造函數的實現，它位于 frameworks/base/core/java/android/os/MemoryFile.java文件中：
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public?class?MemoryFile?? {?? ????......?? ?? ????private?static?native?FileDescriptor?native_open(String?name,?int?length)?throws?IOException;?? ?????? ????......?? ?? ????private?FileDescriptor?mFD;???????? ????......?? ????private?int?mLength;???? ?????? ????......?? ?? ???? ????public?MemoryFile(String?name,?int?length)?throws?IOException?{?? ????????mLength?=?length;?? ????????mFD?=?native_open(name,?length);?? ????????......?? ????}?? ?? ????......?? }?? ?? ? ? ?這里我們看到，這個構造函數最終是通過JNI方法native_open來創建匿名內存共享文件。這個JNI方法native_open實現在frameworks/base/core/jni/adroid_os_MemoryFile.cpp文件中：
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static?jobject?android_os_MemoryFile_open(JNIEnv*?env,?jobject?clazz,?jstring?name,?jint?length)?? {?? ????const?char*?namestr?=?(name???env->GetStringUTFChars(name,?NULL)?:?NULL);?? ?? ????int?result?=?ashmem_create_region(namestr,?length);?? ?? ????if?(name)?? ????????env->ReleaseStringUTFChars(name,?namestr);?? ?? ????if?(result?<?0)?{?? ????????jniThrowException(env,?"java/io/IOException",?"ashmem_create_region?failed");?? ????????return?NULL;?? ????}?? ?? ????return?jniCreateFileDescriptor(env,?result);?? }?? ?? ? ? ?這個函數又通過運行時庫提供的接口ashmem_create_region來創建匿名共享內存，這個函數實現在system/core/libcutils/ashmem-dev.c文件中：
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int?ashmem_create_region(const?char?*name,?size_t?size)?? {?? ????int?fd,?ret;?? ?? ????fd?=?open(ASHMEM_DEVICE,?O_RDWR);?? ????if?(fd?<?0)?? ????????return?fd;?? ?? ????if?(name)?{?? ????????char?buf[ASHMEM_NAME_LEN];?? ?? ????????strlcpy(buf,?name,?sizeof(buf));?? ????????ret?=?ioctl(fd,?ASHMEM_SET_NAME,?buf);?? ????????if?(ret?<?0)?? ????????????goto?error;?? ????}?? ?? ????ret?=?ioctl(fd,?ASHMEM_SET_SIZE,?size);?? ????if?(ret?<?0)?? ????????goto?error;?? ?? ????return?fd;?? ?? error:?? ????close(fd);?? ????return?ret;?? }?? ?? ? ? ?這里，一共通過執行三個文件操作系統調用來和Ashmem驅動程序進行交互，分雖是一個open和兩個ioctl操作，前者是打開設備文件ASHMEM_DEVICE，后者分別是設置匿名共享內存的名稱和大小。
?? ? ? ?在介紹這三個文件操作之前，我們先來了解一下Ashmem驅動程序的一個相關數據結構struct ashmem_area，這個數據結構就是用來表示一塊共享內存的，它定義在kernel/common/mm/ashmem.c文件中：
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struct?ashmem_area?{?? ????char?name[ASHMEM_FULL_NAME_LEN]; ????struct?list_head?unpinned_list;? ????struct?file?*file;?????? ????size_t?size;???????????? ????unsigned?long?prot_mask;???? };?? ?? ? ? ?域name表示這塊共享內存的名字，這個名字會顯示/proc/<pid>/maps文件中，<pid>表示打開這個共享內存 文件的進程ID；域unpinned_list是一個列表頭，它把這塊共享內存中所有被解鎖的內存塊連接在一起，下面我們講內存塊的鎖定和解鎖操作時會看 到它的用法；域file表示這個共享內存在臨時文件系統tmpfs中對應的文件，在內核決定要把這塊共享內存對應的物理頁面回收時，就會把它的內容交換到 這個臨時文件中去；域size表示這塊共享內存的大小；域prot_mask表示這塊共享內存的訪問保護位。
?? ? ? ?在Ashmem驅動程中，所有的ashmem_area實例都是從自定義的一個slab緩沖區創建的。這個slab緩沖區是在驅動程序模塊初始化函數創建的，我們來看一個這個初始化函數的相關實現：
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static?int?__init?ashmem_init(void)?? {?? ????int?ret;?? ?? ????ashmem_area_cachep?=?kmem_cache_create("ashmem_area_cache",?? ????????sizeof(struct?ashmem_area),?? ????????0,?0,?NULL);?? ????if?(unlikely(!ashmem_area_cachep))?{?? ????????printk(KERN_ERR?"ashmem:?failed?to?create?slab?cache\n");?? ????????return?-ENOMEM;?? ????}?? ?? ????......?? ?? ????return?0;?? }?? ?? ? ? ? 全局變量定義在文件開頭的地方：
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static?struct?kmem_cache?*ashmem_area_cachep?__read_mostly;?? ?? ? ? ?它的類型是struct kmem_cache，表示這是一個slab緩沖區，由內核中的內存管理系統進行管理。
?? ? ? ?這里就是通過kmem_cache_create函數來創建一個名為"ashmem_area_cache"、對象大小為sizeof(struct ashmem_area)的緩沖區了。緩沖區創建了以后，就可以每次從它分配一個struct ashmem_area對象了。關于Linux內核的slab緩沖區的相關知識，可以參考前面Android學習啟動篇一文中提到的一本參考書籍《Understanding the Linux Kernel》的第八章Memory Managerment。
?? ? ? ?有了這些基礎知識后，我們回到前面的ashmem_create_region函數中。
?? ? ? ?首先是執行打開文件的操作：
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fd?=?open(ASHMEM_DEVICE,?O_RDWR);?? ?? ? ? ?ASHMEM_DEVICE是一個宏，定義為：
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#define?ASHMEM_DEVICE???"/dev/ashmem"?? ?? ? ? ? 這里就是匿名共享內存設備文件/dev/ashmem了。
?? ? ? ?從上面的描述我們可以知道，調用這個open函數最終會進入到Ashmem驅動程序中的ashmem_open函數中去：
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static?int?ashmem_open(struct?inode?*inode,?struct?file?*file)?? {?? ????struct?ashmem_area?*asma;?? ????int?ret;?? ?? ????ret?=?nonseekable_open(inode,?file);?? ????if?(unlikely(ret))?? ????????return?ret;?? ?? ????asma?=?kmem_cache_zalloc(ashmem_area_cachep,?GFP_KERNEL);?? ????if?(unlikely(!asma))?? ????????return?-ENOMEM;?? ?? ????INIT_LIST_HEAD(&asma->unpinned_list);?? ????memcpy(asma->name,?ASHMEM_NAME_PREFIX,?ASHMEM_NAME_PREFIX_LEN);?? ????asma->prot_mask?=?PROT_MASK;?? ????file->private_data?=?asma;?? ?? ????return?0;?? }?? ?? ? ? ?首先是通過nonseekable_open函數來設備這個文件不可以執行定位操作，即不可以執行seek文件操作。接著就是通過 kmem_cache_zalloc函數從剛才我們創建的slab緩沖區ashmem_area_cachep來創建一個ashmem_area結構體 了，并且保存在本地變量asma中。再接下去就是初始化變量asma的其它域，其中，域name初始為ASHMEM_NAME_PREFIX，這是一個 宏，定義為：
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#define?ASHMEM_NAME_PREFIX?"dev/ashmem/"?? #define?ASHMEM_NAME_PREFIX_LEN?(sizeof(ASHMEM_NAME_PREFIX)?-?1)?? ?? ? ? ?函數的最后是把這個ashmem_area結構保存在打開文件結構體的private_data域中，這樣，Ashmem驅動程序就可以在其它地方通過這個private_data域來取回這個ashmem_area結構了。
?? ? ? ?到這里，設備文件/dev/ashmem的打開操作就完成了，它實際上就是在Ashmem驅動程序中創建了一個ashmem_area結構，表示一塊新的共享內存。
?? ? ? ?再回到ashmem_create_region函數中，又調用了兩次ioctl文件操作分別來設備這塊新建的匿名共享內存的名字和大小。在 kernel/comon/mm/include/ashmem.h文件中，ASHMEM_SET_NAME和ASHMEM_SET_SIZE的定義為：
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#define?ASHMEM_NAME_LEN?????256?? ?? #define?__ASHMEMIOC?????0x77?? ?? #define?ASHMEM_SET_NAME?????_IOW(__ASHMEMIOC,?1,?char[ASHMEM_NAME_LEN])?? #define?ASHMEM_SET_SIZE?????_IOW(__ASHMEMIOC,?3,?size_t)?? ?? ? ? 先來看ASHMEM_SET_NAME命令的ioctl調用，它最終進入到Ashmem驅動程序的ashmem_ioctl函數中：
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static?long?ashmem_ioctl(struct?file?*file,?unsigned?int?cmd,?unsigned?long?arg)?? {?? ????struct?ashmem_area?*asma?=?file->private_data;?? ????long?ret?=?-ENOTTY;?? ?? ????switch?(cmd)?{?? ????case?ASHMEM_SET_NAME:?? ????????ret?=?set_name(asma,?(void?__user?*)?arg);?? ????????break;?? ????......?? ????}?? ?? ????return?ret;?? }?? ?? ? ? 這里通過set_name函數來進行實際操作：
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static?int?set_name(struct?ashmem_area?*asma,?void?__user?*name)?? {?? ????int?ret?=?0;?? ?? ????mutex_lock(&ashmem_mutex);?? ?? ???? ????if?(unlikely(asma->file))?{?? ????????ret?=?-EINVAL;?? ????????goto?out;?? ????}?? ?? ????if?(unlikely(copy_from_user(asma->name?+?ASHMEM_NAME_PREFIX_LEN,?? ????????????????????name,?ASHMEM_NAME_LEN)))?? ????????ret?=?-EFAULT;?? ????asma->name[ASHMEM_FULL_NAME_LEN-1]?=?'\0';?? ?? out:?? ????mutex_unlock(&ashmem_mutex);?? ?? ????return?ret;?? }?? ?? ? ? ?這個函數實現很簡單，把用戶空間傳進來的匿名共享內存的名字設備到asma->name域中去。注意，匿名共享內存塊的名字的內容分兩部分，前一 部分是前綴，這是在open操作時，由驅動程序默認設置的，固定為ASHMEM_NAME_PREFIX，即"dev/ashmem/"；后一部分由用戶 指定，這一部分是可選的，即用戶可以不調用ASHMEM_SET_NAME命令來設置匿名共享內存塊的名字。
?? ? ? ?再來看ASHMEM_SET_SIZE命令的ioctl調用，它最終也是進入到Ashmem驅動程序的ashmem_ioctl函數中：
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static?long?ashmem_ioctl(struct?file?*file,?unsigned?int?cmd,?unsigned?long?arg)?? {?? ????struct?ashmem_area?*asma?=?file->private_data;?? ????long?ret?=?-ENOTTY;?? ?? ????switch?(cmd)?{?? ????......?? ????case?ASHMEM_SET_SIZE:?? ????????ret?=?-EINVAL;?? ????????if?(!asma->file)?{?? ????????????ret?=?0;?? ????????????asma->size?=?(size_t)?arg;?? ????????}?? ????????break;?? ????......?? ????}?? ?? ????return?ret;?? }?? ?? ? ? ?這個實現很簡單，只是把用戶空間傳進來的匿名共享內存的大小值保存在對應的asma->size域中。
?? ? ? ?這樣，ashmem_create_region函數就執先完成了，層層返回，最后回到應用程序框架層提供的接口Memory的構造函數中，整個匿名共 享內存的創建過程就完成了。前面我們說過過，Ashmem驅動程序不提供read和write文件操作，進程若要訪問這個共享內存，必須要把這個設備文件 映射到自己的進程空間中，然后進行直接內存訪問，這就是我們下面要介紹的匿名共享內存設備文件的內存映射操作了。
?? ? ? ?二.?匿名共享內存設備文件的內存映射操作
?? ? ? ?在MemoryFile類的構造函數中，進行了匿名共享內存的創建操作后，下一步就是要把匿名共享內存設備文件映射到進程空間來了：
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public?class?MemoryFile?? {?? ????......?? ?? ???? ????private?static?native?int?native_mmap(FileDescriptor?fd,?int?length,?int?mode)?? ????????throws?IOException;?? ?????? ????......?? ?? ????private?int?mAddress;??? ?????? ????......?? ?? ???? ????public?MemoryFile(String?name,?int?length)?throws?IOException?{?? ????????......?? ????????mAddress?=?native_mmap(mFD,?length,?PROT_READ?|?PROT_WRITE);?? ????????......?? ????}?? }?? ?? ? ? ? 映射匿名共享內存設備文件到進程空間是通過JNI方法native_mmap來進行的。這個JNI方法實現在frameworks/base/core/jni/adroid_os_MemoryFile.cpp文件中：
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static?jint?android_os_MemoryFile_mmap(JNIEnv*?env,?jobject?clazz,?jobject?fileDescriptor,?? ????????jint?length,?jint?prot)?? {?? ????int?fd?=?jniGetFDFromFileDescriptor(env,?fileDescriptor);?? ????jint?result?=?(jint)mmap(NULL,?length,?prot,?MAP_SHARED,?fd,?0);?? ????if?(!result)?? ????????jniThrowException(env,?"java/io/IOException",?"mmap?failed");?? ????return?result;?? }?? ?? ? ? ?這里的文件描述符fd是在前面open匿名設備文件/dev/ashmem獲得的，有個這個文件描述符后，就可以直接通過mmap來執行內存映射操作了。這個mmap系統調用最終進入到Ashmem驅動程序的ashmem_mmap函數中：
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static?int?ashmem_mmap(struct?file?*file,?struct?vm_area_struct?*vma)?? {?? ????struct?ashmem_area?*asma?=?file->private_data;?? ????int?ret?=?0;?? ?? ????mutex_lock(&ashmem_mutex);?? ?? ???? ????if?(unlikely(!asma->size))?{?? ????????ret?=?-EINVAL;?? ????????goto?out;?? ????}?? ?? ???? ????if?(unlikely((vma->vm_flags?&?~asma->prot_mask)?&?PROT_MASK))?{?? ????????ret?=?-EPERM;?? ????????goto?out;?? ????}?? ?? ????if?(!asma->file)?{?? ????????char?*name?=?ASHMEM_NAME_DEF;?? ????????struct?file?*vmfile;?? ?? ????????if?(asma->name[ASHMEM_NAME_PREFIX_LEN]?!=?'\0')?? ????????????name?=?asma->name;?? ?? ???????? ????????vmfile?=?shmem_file_setup(name,?asma->size,?vma->vm_flags);?? ????????if?(unlikely(IS_ERR(vmfile)))?{?? ????????????ret?=?PTR_ERR(vmfile);?? ????????????goto?out;?? ????????}?? ????????asma->file?=?vmfile;?? ????}?? ????get_file(asma->file);?? ?? ????if?(vma->vm_flags?&?VM_SHARED)?? ????????shmem_set_file(vma,?asma->file);?? ????else?{?? ????????if?(vma->vm_file)?? ????????????fput(vma->vm_file);?? ????????vma->vm_file?=?asma->file;?? ????}?? ????vma->vm_flags?|=?VM_CAN_NONLINEAR;?? ?? out:?? ????mutex_unlock(&ashmem_mutex);?? ????return?ret;?? }?? ?? ? ? ?這個函數的實現也很簡單，它調用了Linux內核提供的shmem_file_setup函數來在臨時文件系統tmpfs中創建一個臨時文件，這個臨時 文件與Ashmem驅動程序創建的匿名共享內存對應。函數shmem_file_setup是Linux內核中用來創建共享內存文件的方法，而Linux 內核中的共享內存機制其實是一種進程間通信（IPC）機制，它的實現相對也是比較復雜，Android系統的匿名共享內存機制正是由于直接使用了 Linux內核共享內存機制，它才會很小巧，它站在巨人的肩膀上了。關于Linux內核中的共享內存的相關知識，可以參考前面Android學習啟動篇一文中提到的一本參考書籍《Linux內核源代碼情景分析》的第六章傳統的Unix進程間通信第七小節共享內存。
?? ? ? ?通過shmem_file_setup函數創建的臨時文件vmfile最終就保存在vma->file中了。這里的vma是由Linux內核的文 件系統層傳進來的，它的類型為struct vm_area_struct，它表示的是當前進程空間中一塊連續的虛擬地址空間，它的起始地址可以由用戶來指定，也可以由內核自己來分配，這里我們從 JNI方法native_mmap調用的mmap的第一個參數為NULL可以看出，這塊連續的虛擬地址空間的起始地址是由內核來指定的。文件內存映射操作 完成后，用戶訪問這個范圍的地址空間就相當于是訪問對應的文件的內容了。有關Linux文件的內存映射操作，同樣可以參考前面Android學習啟動篇一文中提到的一本參考書籍《Linux內核源代碼情景分析》的第二章內存管理第十三小節系統調用mmap。從這里我們也可以看出，Android系統的匿名共享內存是在虛擬地址空間連續的，但是在物理地址空間就不一定是連續的了。
?? ? ? ?同時，這個臨時文件vmfile也會保存asma->file域中，這樣，Ashmem驅動程序后面就可以通過在asma->file來操作這個匿名內存共享文件了。
?? ? ? ?函數ashmem_mmap執行完成后，經過層層返回到JNI方法native_mmap中去，就從mmap函數的返回值中得到了這塊虛擬空間的起始地 址了，這個起始地址最終返回到應用程序框架層的MemoryFile類的構造函數中，并且保存在成員變量mAddress中，后面，共享內存的讀寫操作就 是對這個地址空間進行操作了。
?? ? ? ?三.?匿名共享內存的讀寫操作
?? ? ? ?因為前面對匿名共享內存文件進行內存映射操作，這里對匿名內存文件內容的讀寫操作就比較簡單了，就像訪問內存變量一樣就行了。
?? ? ? ?我們來看一下MemoryFile類的讀寫操作函數：
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public?class?MemoryFile?? {?? ????......?? ?? ????private?static?native?int?native_read(FileDescriptor?fd,?int?address,?byte[]?buffer,?? ????????int?srcOffset,?int?destOffset,?int?count,?boolean?isUnpinned)?throws?IOException;?? ????private?static?native?void?native_write(FileDescriptor?fd,?int?address,?byte[]?buffer,?? ????????int?srcOffset,?int?destOffset,?int?count,?boolean?isUnpinned)?throws?IOException;?? ?????? ????......?? ?? ????private?FileDescriptor?mFD;???????? ????private?int?mAddress;??? ????private?int?mLength;???? ????private?boolean?mAllowPurging?=?false;?? ?? ????......?? ?? ???? ????public?int?readBytes(byte[]?buffer,?int?srcOffset,?int?destOffset,?int?count)??? ????throws?IOException?{?? ????????if?(isDeactivated())?{?? ????????????throw?new?IOException("Can't?read?from?deactivated?memory?file.");?? ????????}?? ????????if?(destOffset?<?0?||?destOffset?>?buffer.length?||?count?<?0?? ????????????||?count?>?buffer.length?-?destOffset?? ????????????||?srcOffset?<?0?||?srcOffset?>?mLength?? ????????????||?count?>?mLength?-?srcOffset)?{?? ????????????????throw?new?IndexOutOfBoundsException();?? ????????}?? ????????return?native_read(mFD,?mAddress,?buffer,?srcOffset,?destOffset,?count,?mAllowPurging);?? ????}?? ?? ???? ????public?void?writeBytes(byte[]?buffer,?int?srcOffset,?int?destOffset,?int?count)?? ????????throws?IOException?{?? ????????????if?(isDeactivated())?{?? ????????????????throw?new?IOException("Can't?write?to?deactivated?memory?file.");?? ????????????}?? ????????????if?(srcOffset?<?0?||?srcOffset?>?buffer.length?||?count?<?0?? ????????????????||?count?>?buffer.length?-?srcOffset?? ????????????????||?destOffset?<?0?||?destOffset?>?mLength?? ????????????????||?count?>?mLength?-?destOffset)?{?? ????????????????????throw?new?IndexOutOfBoundsException();?? ????????????}?? ????????????native_write(mFD,?mAddress,?buffer,?srcOffset,?destOffset,?count,?mAllowPurging);?? ????}?? ?? ????......?? }?? ?? ? ? ?這里，我們可以看到，MemoryFile的匿名共享內存讀寫操作都是通過JNI方法來實現的，讀操作和寫操作的JNI方法分別是 native_read和native_write，它們都是定義在frameworks/base/core/jni /adroid_os_MemoryFile.cpp文件中：
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static?jint?android_os_MemoryFile_read(JNIEnv*?env,?jobject?clazz,?? ????????jobject?fileDescriptor,?jint?address,?jbyteArray?buffer,?jint?srcOffset,?jint?destOffset,?? ????????jint?count,?jboolean?unpinned)?? {?? ????int?fd?=?jniGetFDFromFileDescriptor(env,?fileDescriptor);?? ????if?(unpinned?&&?ashmem_pin_region(fd,?0,?0)?==?ASHMEM_WAS_PURGED)?{?? ????????ashmem_unpin_region(fd,?0,?0);?? ????????jniThrowException(env,?"java/io/IOException",?"ashmem?region?was?purged");?? ????????return?-1;?? ????}?? ?? ????env->SetByteArrayRegion(buffer,?destOffset,?count,?(const?jbyte?*)address?+?srcOffset);?? ?? ????if?(unpinned)?{?? ????????ashmem_unpin_region(fd,?0,?0);?? ????}?? ????return?count;?? }?? ?? static?jint?android_os_MemoryFile_write(JNIEnv*?env,?jobject?clazz,?? ????????jobject?fileDescriptor,?jint?address,?jbyteArray?buffer,?jint?srcOffset,?jint?destOffset,?? ????????jint?count,?jboolean?unpinned)?? {?? ????int?fd?=?jniGetFDFromFileDescriptor(env,?fileDescriptor);?? ????if?(unpinned?&&?ashmem_pin_region(fd,?0,?0)?==?ASHMEM_WAS_PURGED)?{?? ????????ashmem_unpin_region(fd,?0,?0);?? ????????jniThrowException(env,?"java/io/IOException",?"ashmem?region?was?purged");?? ????????return?-1;?? ????}?? ?? ????env->GetByteArrayRegion(buffer,?srcOffset,?count,?(jbyte?*)address?+?destOffset);?? ?? ????if?(unpinned)?{?? ????????ashmem_unpin_region(fd,?0,?0);?? ????}?? ????return?count;?? }?? ?? ? ? ?這里的address參數就是我們在前面執行mmap來映射匿名共享內存文件到內存中時，得到的進程虛擬地址空間的起始地址了，因此，這里就直接可以訪 問，不必進入到Ashmem驅動程序中去，這也是為什么Ashmem驅動程序沒有提供read和write文件操作的原因。
?? ? ? ?這里我們看到的ashmem_pin_region和ashmem_unpin_region兩個函數是系統運行時庫提供的接口，用來執行我們前面說的 匿名共享內存的鎖定和解鎖操作，它們的作用是告訴Ashmem驅動程序，它的哪些內存塊是正在使用的，需要鎖定，哪些內存是不需要使用了，可以它解鎖，這 樣，Ashmem驅動程序就可以輔助內存管理系統來有效地管理內存了。下面我們就看看Ashmem驅動程序是如果輔助內存管理系統來有效地管理內存的。
?? ? ? ?四.?匿名共享內存的鎖定和解鎖操作
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int?ashmem_pin_region(int?fd,?size_t?offset,?size_t?len)?? {?? ????struct?ashmem_pin?pin?=?{?offset,?len?};?? ????return?ioctl(fd,?ASHMEM_PIN,?&pin);?? }?? ?? int?ashmem_unpin_region(int?fd,?size_t?offset,?size_t?len)?? {?? ????struct?ashmem_pin?pin?=?{?offset,?len?};?? ????return?ioctl(fd,?ASHMEM_UNPIN,?&pin);?? }?? ?? ? ? 它們的實現很簡單，通過ASHMEM_PIN和ASHMEM_UNPIN兩個ioctl操作來實現匿名共享內存的鎖定和解鎖操作。
?? ? ? 我們先看來一下ASHMEM_PIN和ASHMEM_UNPIN這兩個命令號的定義，它們的定義可以在kernel/common/include/linux/ashmem.h文件中找到：
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#define?__ASHMEMIOC?????0x77?? ?? #define?ASHMEM_PIN??????_IOW(__ASHMEMIOC,?7,?struct?ashmem_pin)?? #define?ASHMEM_UNPIN????????_IOW(__ASHMEMIOC,?8,?struct?ashmem_pin)?? ?? ? ? 它們的參數類型為struct ashmem_pin，它也是定義在kernel/common/include/linux/ashmem.h文件中：
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struct?ashmem_pin?{?? ????__u32?offset;??? ????__u32?len;?? };?? ?? ? ? 這個結構體只有兩個域，分別表示要鎖定或者要解鎖的內塊塊的起始大小以及大小。
?? ? ? 在分析這兩個操作之前，我們先來看一下Ashmem驅動程序中的一個數據結構struct ashmem_range，這個數據結構就是用來表示某一塊被解鎖（unpinnd）的內存：
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struct?ashmem_range?{?? ????struct?list_head?lru;??????? ????struct?list_head?unpinned;?? ????struct?ashmem_area?*asma;??? ????size_t?pgstart;????????? ????size_t?pgend;??????????? ????unsigned?int?purged;???????? };?? ?? ? ? ?域asma表示這塊被解鎖的內存所屬于的匿名共享內存，它通過域unpinned連接在asma->unpinned_list表示的列表中；域 pgstart和paend表示這個內存塊的開始和結束頁面號，它們表示一個前后閉合的區間；域purged表示這個內存塊占用的物理內存是否已經被回 收；這塊被解鎖的內存塊除了保存在它所屬的匿名共享內存asma的解鎖列表unpinned_list之外，還通過域lru保存在一個全局的最近最少使用 列表ashmem_lru_list列表中，它的定義如下：
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static?LIST_HEAD(ashmem_lru_list);?? ?? ? ? ?了解了這個數據結構之后，我們就可以來看ashmem_ioctl函數中關于ASHMEM_PIN和ASHMEM_UNPIN的操作了：
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static?long?ashmem_ioctl(struct?file?*file,?unsigned?int?cmd,?unsigned?long?arg)?? {?? ????struct?ashmem_area?*asma?=?file->private_data;?? ????long?ret?=?-ENOTTY;?? ?? ????switch?(cmd)?{?? ????......?? ????case?ASHMEM_PIN:?? ????case?ASHMEM_UNPIN:?? ????????ret?=?ashmem_pin_unpin(asma,?cmd,?(void?__user?*)?arg);?? ????????break;?? ????......?? ????}?? ?? ????return?ret;?? }?? ?? ? ? ?它們都是通過ashmem_pin_unpin來進一步處理：
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static?int?ashmem_pin_unpin(struct?ashmem_area?*asma,?unsigned?long?cmd,?? ????????????????void?__user?*p)?? {?? ????struct?ashmem_pin?pin;?? ????size_t?pgstart,?pgend;?? ????int?ret?=?-EINVAL;?? ?? ????if?(unlikely(!asma->file))?? ????????return?-EINVAL;?? ?? ????if?(unlikely(copy_from_user(&pin,?p,?sizeof(pin))))?? ????????return?-EFAULT;?? ?? ???? ????if?(!pin.len)?? ????????pin.len?=?PAGE_ALIGN(asma->size)?-?pin.offset;?? ?? ????if?(unlikely((pin.offset?|?pin.len)?&?~PAGE_MASK))?? ????????return?-EINVAL;?? ?? ????if?(unlikely(((__u32)?-1)?-?pin.offset?<?pin.len))?? ????????return?-EINVAL;?? ?? ????if?(unlikely(PAGE_ALIGN(asma->size)?<?pin.offset?+?pin.len))?? ????????return?-EINVAL;?? ?? ????pgstart?=?pin.offset?/?PAGE_SIZE;?? ????pgend?=?pgstart?+?(pin.len?/?PAGE_SIZE)?-?1;?? ?? ????mutex_lock(&ashmem_mutex);?? ?? ????switch?(cmd)?{?? ????case?ASHMEM_PIN:?? ????????ret?=?ashmem_pin(asma,?pgstart,?pgend);?? ????????break;?? ????case?ASHMEM_UNPIN:?? ????????ret?=?ashmem_unpin(asma,?pgstart,?pgend);?? ????????break;?? ????......?? ????}?? ?? ????mutex_unlock(&ashmem_mutex);?? ?? ????return?ret;?? }?? ?? ? ? ?首先是獲得用戶空間傳進來的參數，并保存在本地變量pin中，這是一個struct ashmem_pin類型的變量，這個結構體我們在前面已經見過了，它包括了要pin/unpin的內存塊的起始地址和大小，這里的起始地址和大小都是以 字節為單位的，因此，通過轉換把它們換成以頁面為單位的，并且保存在本地變量pgstart和pgend中。這里除了要對參數作一個安全性檢查外，還要一 個處理邏輯是，如果從用戶空間傳進來的內塊塊的大小值為0 ，則認為是要pin/unpin整個匿名共享內存。
?? ? ? ?函數最后根據當前要執行的是ASHMEM_PIN操作還是ASHMEM_UNPIN操作來分別執行ashmem_pin和ashmem_unpin來進 一步處理。創建匿名共享內存時，默認所有的內存都是pinned狀態的，只有用戶告訴Ashmem驅動程序要unpin某一塊內存時，Ashmem驅動程 序才會把這塊內存unpin，之后，用戶可以再告訴Ashmem驅動程序要重新pin某一塊之前被unpin過的內塊，從而把這塊內存從unpinned 狀態改為pinned狀態，也就是說，執行ASHMEM_PIN操作時，目標對象必須是一塊當前處于unpinned狀態的內存塊。
?? ? ? 我們先來看一下ASHMEM_UNPIN操作，進入到ashmem_unpin函數：
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static?int?ashmem_unpin(struct?ashmem_area?*asma,?size_t?pgstart,?size_t?pgend)?? {?? ????struct?ashmem_range?*range,?*next;?? ????unsigned?int?purged?=?ASHMEM_NOT_PURGED;?? ?? restart:?? ????list_for_each_entry_safe(range,?next,?&asma->unpinned_list,?unpinned)?{?? ???????? ????????if?(range_before_page(range,?pgstart))?? ????????????break;?? ?? ???????? ????????if?(page_range_subsumed_by_range(range,?pgstart,?pgend))?? ????????????return?0;?? ????????if?(page_range_in_range(range,?pgstart,?pgend))?{?? ????????????pgstart?=?min_t(size_t,?range->pgstart,?pgstart),?? ????????????pgend?=?max_t(size_t,?range->pgend,?pgend);?? ????????????purged?|=?range->purged;?? ????????????range_del(range);?? ????????????goto?restart;?? ????????}?? ????}?? ?? ????return?range_alloc(asma,?range,?purged,?pgstart,?pgend);?? }?? ?? ? ? ?這個函數的主體就是在遍歷asma->unpinned_list列表，從中查找當前處于unpinned狀態的內存塊是否與將要unpin的內 存塊[pgstart, pgend]是否相交，如果相交，則要執行合并操作，即調整pgstart和pgend的大小，然后通過調用range_del函數刪掉原來的已經被 unpinned過的內存塊，最后再通過range_alloc函數來重新unpinned這塊調整過后的內存塊[pgstart, pgend]，這里新的內存塊[pgstart, pgend]已經包含了剛才所有被刪掉的unpinned狀態的內存。注意，這里如果找到一塊相并的內存塊，并且調整了pgstart和pgend的大小 之后，要重新再掃描一遍asma->unpinned_list列表，因為新的內存塊[pgstart, pgend]可能還會與前后的處于unpinned狀態的內存塊發生相交。
?? ? ? ?我們來看一下range_before_page的操作，這是一個宏定義：
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#define?range_before_page(range,?page)?\?? ??((range)->pgend?<?(page))?? ?? ? ? ?表示range描述的內存塊是否在page頁面之前，如果是，則整個描述就結束了。從這里我們可以看出asma->unpinned_list列表是按照頁面號從大到小進行排列的，并且每一塊被unpin的內存都是不相交的。
?? ? ? ?再來看一下page_range_subsumed_by_range的操作，這也是一個宏定義：
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#define?page_range_subsumed_by_range(range,?start,?end)?\?? ??(((range)->pgstart?<=?(start))?&&?((range)->pgend?>=?(end)))?? ?? ? ? 表示range描述的內存塊是不是包含了[start, end]這個內存塊，如果包含了，則說明當前要unpin的內存塊已經處于unpinned狀態，什么也不用操作，直接返回即可。
?? ? ? 再看page_range_in_range的操作，它也是一個宏定義：
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#define?page_range_in_range(range,?start,?end)?\?? ??(page_in_range(range,?start)?||?page_in_range(range,?end)?||?\?? ???page_range_subsumes_range(range,?start,?end))?? ?? ? ?它用到的其它兩個宏分別定義為：
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#define?page_range_subsumed_by_range(range,?start,?end)?\?? ??(((range)->pgstart?<=?(start))?&&?((range)->pgend?>=?(end)))?? ?? #define?page_in_range(range,?page)?\?? ?(((range)->pgstart?<=?(page))?&&?((range)->pgend?>=?(page)))?? ?? ? ?它們都是用來判斷兩個內存區間是否相交的。
?? ? ?兩個內存塊相交分為四種情況：
?? ? ?|-------range-----|? ? ? ? |-------range------|?? ? ? |--------range---------|? ? ? ? ? ? ? ? ?|----range---|
?? ? ? |-start----end-| ? ? ? |-start-----end-| ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? |-start-------end-| ? ? ? ?|-start-----------end-|
?? ? ?再來看從asma->unpinned_list中刪掉內存塊的range_del函數：
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static?void?range_del(struct?ashmem_range?*range)?? {?? ????list_del(&range->unpinned);?? ????if?(range_on_lru(range))?? ????????lru_del(range);?? ????kmem_cache_free(ashmem_range_cachep,?range);?? }?? ?? ? ?這個函數首先把range從相應的unpinned_list列表中刪除，然后判斷它是否在lru列表中：
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#define?range_on_lru(range)?\?? ??((range)->purged?==?ASHMEM_NOT_PURGED)?? ?? ? ?如果它的狀態purged等于ASHMEM_NOT_PURGED，即對應的物理頁面尚未被回收，它就位于lru列表中，通過調用lru_del函數進行刪除：
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static?inline?void?lru_del(struct?ashmem_range?*range)?? {?? ????list_del(&range->lru);?? ????lru_count?-=?range_size(range);?? }?? ?? ? ? 最后調用kmem_cache_free將它從slab緩沖區ashmem_range_cachep中釋放。
?? ? ? 這里的slab緩沖區ashmem_range_cachep定義如下：
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static?struct?kmem_cache?*ashmem_range_cachep?__read_mostly;?? ?? ? ? 它和前面介紹的slab緩沖區ashmem_area_cachep一樣，是在Ashmem驅動程序模塊初始化函數ashmem_init進行初始化的：
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static?int?__init?ashmem_init(void)?? {?? ????int?ret;?? ?? ????......?? ?? ????ashmem_range_cachep?=?kmem_cache_create("ashmem_range_cache",?? ????????sizeof(struct?ashmem_range),?? ????????0,?0,?NULL);?? ????if?(unlikely(!ashmem_range_cachep))?{?? ????????printk(KERN_ERR?"ashmem:?failed?to?create?slab?cache\n");?? ????????return?-ENOMEM;?? ????}?? ?? ????......?? ?? ????printk(KERN_INFO?"ashmem:?initialized\n");?? ?? ????return?0;?? }?? ?? ? ? 回到ashmem_unpin函數中，我們再來看看range_alloc函數的實現：
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static?int?range_alloc(struct?ashmem_area?*asma,?? ???????????????struct?ashmem_range?*prev_range,?unsigned?int?purged,?? ???????????????size_t?start,?size_t?end)?? {?? ????struct?ashmem_range?*range;?? ?? ????range?=?kmem_cache_zalloc(ashmem_range_cachep,?GFP_KERNEL);?? ????if?(unlikely(!range))?? ????????return?-ENOMEM;?? ?? ????range->asma?=?asma;?? ????range->pgstart?=?start;?? ????range->pgend?=?end;?? ????range->purged?=?purged;?? ?? ????list_add_tail(&range->unpinned,?&prev_range->unpinned);?? ?? ????if?(range_on_lru(range))?? ????????lru_add(range);?? ?? ????return?0;?? }?? ?? ? ? 這個函數的作用是從slab 緩沖區中ashmem_range_cachep分配一個ashmem_range，然后對它作相應的初始化，放在相應的 ashmem_area->unpinned_list列表中，并且還要判斷這個range的purged是否是 ASHMEM_NOT_PURGED狀態，如果是，還要把它放在lru列表中：
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static?inline?void?lru_add(struct?ashmem_range?*range)?? {?? ????list_add_tail(&range->lru,?&ashmem_lru_list);?? ????lru_count?+=?range_size(range);?? }?? ?? ? ? 這樣，ashmem_unpin的源代碼我們就分析完了。
?? ? ? 接著，我們再來看一下ASHMEM_PIN操作，進入到ashmem_pin函數：
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static?int?ashmem_pin(struct?ashmem_area?*asma,?size_t?pgstart,?size_t?pgend)?? {?? ????struct?ashmem_range?*range,?*next;?? ????int?ret?=?ASHMEM_NOT_PURGED;?? ?? ????list_for_each_entry_safe(range,?next,?&asma->unpinned_list,?unpinned)?{?? ???????? ????????if?(range_before_page(range,?pgstart))?? ????????????break;?? ?? ???????? ????????if?(page_range_in_range(range,?pgstart,?pgend))?{?? ????????????ret?|=?range->purged;?? ?? ???????????? ????????????if?(page_range_subsumes_range(range,?pgstart,?pgend))?{?? ????????????????range_del(range);?? ????????????????continue;?? ????????????}?? ?? ???????????? ????????????if?(range->pgstart?>=?pgstart)?{?? ????????????????range_shrink(range,?pgend?+?1,?range->pgend);?? ????????????????continue;?? ????????????}?? ?? ???????????? ????????????if?(range->pgend?<=?pgend)?{?? ????????????????range_shrink(range,?range->pgstart,?pgstart-1);?? ????????????????continue;?? ????????????}?? ?? ???????????? ????????????range_alloc(asma,?range,?range->purged,?? ????????????????????pgend?+?1,?range->pgend);?? ????????????range_shrink(range,?range->pgstart,?pgstart?-?1);?? ????????????break;?? ????????}?? ????}?? ?? ????return?ret;?? }?? ?? ? ? ?前面我們說過，被pin的內存塊，必須是在unpinned_list列表中的，如果不在，就什么都不用做。要判斷要pin的內存塊是否在 unpinned_list列表中，又要通過遍歷相應的asma->unpinned_list列表來找出與之相交的內存塊了。這個函數的處理方法 大體與前面的ashmem_unpin函數是一致的，也是要考慮四種不同的相交情況，這里就不詳述了，讀者可以自己分析一下。
?? ? ? ?這里我們只看一下range_shrink函數的實現：
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static?inline?void?range_shrink(struct?ashmem_range?*range,?? ????????????????size_t?start,?size_t?end)?? {?? ????size_t?pre?=?range_size(range);?? ?? ????range->pgstart?=?start;?? ????range->pgend?=?end;?? ?? ????if?(range_on_lru(range))?? ????????lru_count?-=?pre?-?range_size(range);?? }?? ?? ? ? ?這個函數的實現很簡單，只是調整一下range描述的內存塊的起始頁面號，如果它是位于lru列表中，還要調整一下在lru列表中的總頁面數大小。
?? ? ? ?這樣，匿名共享內存的ASHMEM_PIN和ASHMEM_UNPIN操作就介紹完了，但是，我們還看不出來Ashmem驅動程序是怎么樣輔助內存管理 系統來有效管理內存的。有了前面這些unpinned的內存塊列表之后，下面我們就看一下Ashmem驅動程序是怎么樣輔助內存管理系統來有效管理內存 的。
?? ? ? ?首先看一下Ashmem驅動程序模塊初始化函數ashmem_init：
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static?struct?shrinker?ashmem_shrinker?=?{?? ????.shrink?=?ashmem_shrink,?? ????.seeks?=?DEFAULT_SEEKS?*?4,?? };?? ?? static?int?__init?ashmem_init(void)?? {?? ????int?ret;?? ?? ????......?? ?? ????register_shrinker(&ashmem_shrinker);?? ?? ????printk(KERN_INFO?"ashmem:?initialized\n");?? ?? ????return?0;?? }?? ?? ? ? ?這里通過調用register_shrinker函數向內存管理系統注冊一個內存回收算法函數。在Linux內核中，當系統內存緊張時，內存管理系統就 會進行內存回收算法，將一些最近沒有用過的內存換出物理內存去，這樣可以增加物理內存的供應。因此，當內存管理系統進行內存回收時，就會調用到這里的 ashmem_shrink函數，讓Ashmem驅動程序執行內存回收操作：
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static?int?ashmem_shrink(int?nr_to_scan,?gfp_t?gfp_mask)?? {?? ????struct?ashmem_range?*range,?*next;?? ?? ???? ????if?(nr_to_scan?&&?!(gfp_mask?&?__GFP_FS))?? ????????return?-1;?? ????if?(!nr_to_scan)?? ????????return?lru_count;?? ?? ????mutex_lock(&ashmem_mutex);?? ????list_for_each_entry_safe(range,?next,?&ashmem_lru_list,?lru)?{?? ????????struct?inode?*inode?=?range->asma->file->f_dentry->d_inode;?? ????????loff_t?start?=?range->pgstart?*?PAGE_SIZE;?? ????????loff_t?end?=?(range->pgend?+?1)?*?PAGE_SIZE?-?1;?? ?? ????????vmtruncate_range(inode,?start,?end);?? ????????range->purged?=?ASHMEM_WAS_PURGED;?? ????????lru_del(range);?? ?? ????????nr_to_scan?-=?range_size(range);?? ????????if?(nr_to_scan?<=?0)?? ????????????break;?? ????}?? ????mutex_unlock(&ashmem_mutex);?? ?? ????return?lru_count;?? }?? ?? ? ? ?這里的參數nr_to_scan表示要掃描的頁數，如果是0，則表示要查詢一下，當前Ashmem驅動程序有多少頁面可以回收，這里就等于掛在lru列 表的內塊頁面的總數了，即lru_count；否則，就要開始掃描lru列表，從中回收內存了，直到回收的內存頁數等于nr_to_scan，或者已經沒 有內存可回收為止。回收內存頁面是通過vm_truncate_range函數進行的，這個函數定義在kernel/common/mm /memory.c文件中，它是Linux內核內存管理系統實現的，有興趣的讀者可以研究一下。
?? ? ? ?這樣，Android系統匿名共享內存Ashmem驅動程序源代碼就分析完了，在下一篇文章中，我們將繼續分析Android系統的匿名共享內存機制，研究它是如何通過Binder進程間通信機制實現在不同進程程進行內存共享的，敬請關注。
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總結
以上是生活随笔 為你收集整理的Android系统匿名共享内存Ashmem（Anonymous Shared Memory）驱动程序源代码分析 的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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