且听穿林打叶声———Ashmem机制讲解
且听穿林打叶声———Ashmem机制讲解
侯亮
（Android 7.0）
在Android平台上，提供了一种共享内存的机制——Ashmem。该机制内部其实复用了Linux的共享内存机制。Ashmem机制使用linux的mmap系统调用，可以将同一段物理内存映射到不同进程各自的虚拟地址空间，从而实现高效的进程间共享。
大家都知道，在linux上“一切皆文件”，一块共享内存当然也不例外。因此，在用户态，我们能看到的重要概念就是共享内存的“文件描述符”，文件描述符可以对应一个内核态的ashmem file。file中又可以管理自己的逻辑数据（ashmem_area）。不同进程里的不同文件描述符可以对应同一个内核态的file，这就是跨进程共享的基础。当我们对这个文件描述符做完mmap操作后，一般都会记下映射好的起始地址，这是后续进行读取、写入操作的一个基准值，在后文要说的MemoryFile里，这个基准值会记在mAddress成员变量里。
我们先画一张示意图对ashmem有个大体上的了解：
1.以MemoryFile为切入点
我们不大可能直接使用Ashmem，为此Android提供了一个MemoryFile类，其内部实现就是基于ashmem的。MemoryFile本身虽不太常用，但我们可以以这个类为切入点，来看看ashmem的细节。各位如有兴趣，可以详细查看一下MemoryFile的实现代码，这里仅截取几行：
【frameworks/base/core/java/android/os/MemoryFile.java】
public class MemoryFile
{
. . . . . .
private static native FileDescriptor native_open(String name, int length) throws IOException;
private static native long native_mmap(FileDescriptor fd, int length, int mode)
throws IOException;
. . . . . .
public MemoryFile(String name, int length) throws IOException {
mLength = length;
if (length >= 0) {
mFD = native_open(name, length);
} else {
throw new IOException("Invalid length: " + length);
}
if (length > 0) {
mAddress = native_mmap(mFD, length, PROT_READ | PROT_WRITE);
} else {
mAddress = 0;
}
}
在其构造之时，主要就是调用了native_open()和native_mmap()。这两个函数对应着C++层次的android_os_MemoryFile_open()和android_os_MemoryFile_mmap()，前者用于创建一个共享内存区域，后者用于进行内存映射。但具体的创建和映射动作其实都是在内核态完成的，这就涉及到Ashmem驱动程序的内容。
在Android平台上，Ashmem是作为一个驱动程序存在的。我们在Ashmem.c文件中，可以看到这个驱动的入口函数ashmem_init()：
【kernel/drivers/staging/android/Ashmem.c】
module_init(ashmem_init); // 初始化动作 module_exit(ashmem_exit); // 退出动作
ashmem驱动的初始化动作如下：
【kernel/msm-3.18/drivers/staging/android/Ashmem.c】
static int __init ashmem_init(void)
{
. . . . . .
ashmem_area_cachep = kmem_cache_create("ashmem_area_cache",
sizeof(struct ashmem_area),
0, 0, NULL);
. . . . . .
ashmem_range_cachep = kmem_cache_create("ashmem_range_cache",
sizeof(struct ashmem_range),
0, 0, NULL);
. . . . . .
ret = misc_register(&ashmem_misc); // 注册file_operations
. . . . . .
}
其中，ashmem_misc的定义如下：
【kernel/msm-3.18/drivers/staging/android/Ashmem.c】
static const struct file_operations ashmem_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = ashmem_open,
.release = ashmem_release,
.read = ashmem_read,
.llseek = ashmem_llseek,
.mmap = ashmem_mmap,
.unlocked_ioctl = ashmem_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT
.compat_ioctl = compat_ashmem_ioctl,
#endif
};
static struct miscdevice ashmem_misc = { // 用于注册杂项从设备
.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
.name = "ashmem",
.fops = &ashmem_fops,
};
其实是向系统内部注册了一个“ashmem杂项从设备”。在linux系统中，杂项设备（misc device）其实是个特殊的字符设备。我们可以为杂项设备注册多个“从设备”，“ashmem杂项从设备”只是其中之一。
要使用一块ashmem内存，其实说到底就是要操作“ashmem杂项从设备”，而操作设备的动作主要就体现在对设备执行诸如open、read、write、mmap、ioctl等文件操作。这些文件操作在ashmem驱动层就对应为上面代码中的ashmem_open、ashmem_mmap等函数。
2.创建共享内存区域
我们回过头说前文的android_os_MemoryFile_open()函数：
【frameworks/base/core/jni/android_os_MemoryFile.cpp】
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);
}
其中最重要的一句是调用ashmem_create_region()，它的返回值如果大于等于0，就说明返回的是个合法的文件描述符，这种描述符还得进一步包装成java层的FileDescriptor，所以需要在最后调用jniCreateFileDescriptor()。
当我们要创建一块共享内存区域时，我们需要指明这个区域的名字以及该区域的大小。我们参考一下system/core/libcutils/Ashmem-dev.c文件里的ashmem_create_region()函数的调用关系，可以绘制出下图：
可以看到，在创建一块共享内存区域时，我们用到了open()、ioctl()等操作，它们分别对应着前文ashmem_fops里的ashmem_open()、ashmem_ioctl()函数。
ashmem_create_region()所返回的指代匿名共享内存的文件描述符，可以在手机等设备的/proc/[pid]/maps里看到，同时还能看到这块共享内存对应的名字。当然，我们也可以创建多个ashmem共享内存区域，它们会对应不同的inode和file。
2.1 ashmem_open()操作
ashmem驱动程序一般位于Ashmem.c文件中。其中ashmem_open()的实现代码如下：
【kernel/msm-3.18/drivers/staging/android/Ashmem.c】
static int ashmem_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
struct ashmem_area *asma;
int ret;
ret = generic_file_open(inode, file); // 做了一点防护性判断，不太重要
if (unlikely(ret))
return ret;
asma = kmem_cache_zalloc(ashmem_area_cachep, GFP_KERNEL); // 申请一块ashmem_area内存
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; // 将申请的ashmem_area记入file->private_data
return 0;
}
上面代码说明，当我们创建一块ashmem共享内存时，其实是在内核层打开了一个ashmem file，而且这个file的private_data里记录了一块ashmem_area。如图所示：
ashmem_area的定义如下：
struct ashmem_area {
char name[ASHMEM_FULL_NAME_LEN]; /* optional name in /proc/pid/maps */
struct list_head unpinned_list; /* list of all ashmem areas */
struct file *file; /* the shmem-based backing file */
size_t size; /* size of the mapping, in bytes */
unsigned long vm_start; /* Start address of vm_area
* which maps this ashmem */
unsigned long prot_mask; /* allowed prot bits, as vm_flags */
};
其中最重要的无疑是那个file域了，当然，一开始这个域的值为null。
2.2 ashmem_ioctl()操作
ashmem_open()之后，紧接着要设置刚打开的共享内存文件的一些属性，于是调用到ioctl()对应的ashmem_ioctl()。主要的设置动作其实就是向ashmem_area里写入一些数据啦。ashmem_ioctl()函数的定义如下：
【kernel/msm-3.18/drivers/staging/android/Ashmem.c】
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;
. . . . . .
case ASHMEM_SET_SIZE:
ret = -EINVAL;
if (!asma->file) {
ret = 0;
asma->size = (size_t) arg;
}
break;
. . . . . .
. . . . . .
}
return ret;
}
【kernel/msm-3.18/drivers/staging/android/Ashmem.c】
static int set_name(struct ashmem_area *asma, void __user *name)
{
. . . . . .
len = strncpy_from_user(local_name, name, ASHMEM_NAME_LEN);
. . . . . .
mutex_lock(&ashmem_mutex);
. . . . . .
strcpy(asma->name + ASHMEM_NAME_PREFIX_LEN, local_name);
mutex_unlock(&ashmem_mutex);
. . . . . .
}
实际设置的区域名是："dev/ashmem/" + “传入的名字”。这样，我们就可以得到下面这张图：
3.映射共享内存区域
在上图这种“file里面套file”的结构中，内层那个file究竟是什么时候打开的呢？简单地说，就是在我们针对这块共享内存做mmap操作的时候。mmap操作在驱动层对应的是ashmem_mmap()函数。3.1ashmem_mmap()操作
【kernel/msm-3.18/drivers/staging/android/Ashmem.c】
static int ashmem_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
struct ashmem_area *asma = file->private_data;
. . . . . .
vma->vm_flags &= ~calc_vm_may_flags(~asma->prot_mask);
if (!asma->file) {
. . . . . .
vmfile = shmem_file_setup(name, asma->size, vma->vm_flags); // 创建文件节点
. . . . . .
asma->file = vmfile; // ashmem_area里的file终于有值了！
}
get_file(asma->file);
if (vma->vm_flags & VM_SHARED)
shmem_set_file(vma, asma->file);
else {
. . . . . .
}
asma->vm_start = vma->vm_start; // vm_area_struct里的必要信息，复制到ashmem_area中
. . . . . .
return ret;
}
最关键的一步是vmfile = shmem_file_setup(...)，调用的其实是linux系统的接口，在linux“内存文件系统”里创建一个文件节点。shmem_file_setup()的代码如下：
【kernel/msm-3.18/mm/Shmem.c】
struct file *shmem_file_setup(const char *name, loff_t size, unsigned long flags)
{
return __shmem_file_setup(name, size, flags, 0);
}
static struct file *__shmem_file_setup(const char *name, loff_t size,
unsigned long flags, unsigned int i_flags)
{
struct file *res;
struct inode *inode;
. . . . . .
. . . . . .
inode = shmem_get_inode(sb, NULL, S_IFREG | S_IRWXUGO, 0, flags);
. . . . . .
d_instantiate(path.dentry, inode);
inode->i_size = size;
. . . . . .
res = alloc_file(&path, FMODE_WRITE | FMODE_READ,
&shmem_file_operations);
. . . . . .
return res;
. . . . . .
}
shmem_file_setup()建立的file对应的文件操作（shmem_file_operations）如下：
【kernel/msm-3.18/mm/Shmem.c】
static const struct file_operations shmem_file_operations = {
.mmap = shmem_mmap,
#ifdef CONFIG_TMPFS
.llseek = shmem_file_llseek,
.read = new_sync_read,
.write = new_sync_write,
.read_iter = shmem_file_read_iter,
.write_iter = generic_file_write_iter,
.fsync = noop_fsync,
.splice_read = shmem_file_splice_read,
.splice_write = iter_file_splice_write,
.fallocate = shmem_fallocate,
#endif
};
ashmem_mmap()的调用关系图如下：
经过mmap操作，file里面套file的结构就完成了，示意图如下：
注意，上图中的两个file对应的文件操作是不一样的。第一个是ashmem层次的file，第二个是tmpfs虚拟文件系统里的file。补充说明一下，tmpfs（temporary filesystem）是Linux特有的文件系统，标准挂载点是/dev/shm。其内部使用物理内存或swap交换空间实现了一套独立的文件系统。该系统不是块设备系统，所以不需要格式化操作，只要成功挂载，就可以立即使用。
现在，我们可以把“创建共享内存区域”和“映射共享内存区域”两小节的内容汇整成一张示意图，图中表示了两个步骤，创建和映射，最终完成双file结构：
3.2 munmap()操作
ashmem共享内存只有在成功mmap以后，才能够读写。不过MemoryFile允许用户在需要时收回成命，取消mmap。为此，它提供了deactivate()函数。该函数的代码如下：
【frameworks/base/core/java/android/os/MemoryFile.java】
void deactivate() {
if (!isDeactivated()) {
try {
native_munmap(mAddress, mLength); // 其实就是在做munmap动作
mAddress = 0; // 一旦销毁了映射，mAddress也必须设为0
} catch (IOException ex) {
Log.e(TAG, ex.toString());
}
}
}
native_munmap()对应的C++层函数是android_os_MemoryFile_munmap()，其定义如下：
【frameworks/base/core/jni/android_os_MemoryFile.cpp】
static void android_os_MemoryFile_munmap(JNIEnv* env, jobject clazz, jlong addr, jint length)
{
int result = munmap(reinterpret_cast<void *>(addr), length);
if (result < 0)
jniThrowException(env, "java/io/IOException", "munmap failed");
}
可以看到其实就是在调用munmap()操作。
munmap()并不像mmap()那样有对应的ashmem_mmap()，也就是说不存在ashmem_munmap()。munmap()的工作完全由系统内核完成。注意，munmap()只会解除内存映射关系，却不会关闭共享内存。这也就是说，此时的读写操作虽然会失败，但调用getFileDescriptor()还是可以拿到一个合法的文件描述符的。
4.pin和unpin操作
在拥有了一块共享内存之后，我们还可以对它进行更细的控制。比如进行pin和unpin操作。不过MemoryFile并没有向外提供pin和unpin接口，它认为pin和unpin都只能是内部行为。
那么pin和unpin到底是什么意思呢？pin本身的意思是压住、定住，因此pin一块内存指的就是锁定一块内存，明确表示这块内存现在正被使用着。如果后续在某种情况下，比如说内存吃紧时，我们可以解锁某些内存区域，把相应的内存用到其他地方去。从这个角度说，ashmem驱动程序可以在一定程度上辅助内存管理，提供少许的内存优化能力。
匿名共享内存创建之初，所有的内存都是pinned状态，后续用户可以申请unpin一块内存区域，反过来说，只有对一块unpinned状态的内存区域，用户才可以重新pin。
MemoryFile内部的pin函数是native_pin()，其实unpin操作也是靠这个函数完成的。
private static native void native_pin(FileDescriptor fd, boolean pin) throws IOException;
该函数对应于C++层的android_os_MemoryFile_pin()：
【frameworks/base/core/jni/android_os_MemoryFile.cpp】
static void android_os_MemoryFile_pin(JNIEnv* env, jobject clazz,
jobject fileDescriptor, jboolean pin)
{
int fd = jniGetFDFromFileDescriptor(env, fileDescriptor);
// 【注意】这两个函数的最后两个参数都为0.
int result = (pin ? ashmem_pin_region(fd, 0, 0) : ashmem_unpin_region(fd, 0, 0));
if (result < 0) {
jniThrowException(env, "java/io/IOException", NULL);
}
}
该函数通过参数pin，来说明是要pin一块内存区域，还是unpin内存区域。如果要执行pin操作，就调用ashmem_pin_region()，反之则调用ashmem_unpin_region()，不过其实这两个函数最终调用的都是ioctl()。
【system/core/libcutils/Ashmem-dev.c】
int ashmem_pin_region(int fd, size_t offset, size_t len)
{
struct ashmem_pin pin = { offset, len }; // 输入的参数汇整进ashmem_pin
int ret = __ashmem_is_ashmem(fd);
if (ret < 0) {
return ret;
}
return TEMP_FAILURE_RETRY(ioctl(fd, ASHMEM_PIN, &pin)); // 将ashmem_pin参数传入ioctl
}
int ashmem_unpin_region(int fd, size_t offset, size_t len)
{
struct ashmem_pin pin = { offset, len };
int ret = __ashmem_is_ashmem(fd);
if (ret < 0) {
return ret;
}
return TEMP_FAILURE_RETRY(ioctl(fd, ASHMEM_UNPIN, &pin)); // 将ashmem_in参数传入ioctl
}
请注意，android_os_MemoryFile_pin()在调用ashmem_pin_region()或ashmem_unpin_region()时，传递的offset参数和len参数都为0，这是为什么呢？简单地说，这表示调用者希望内核按自己的规则，帮我们计算最终的偏移和大小，并以这块共享内存整体来执行锁定或解锁。
ioctl()对应于驱动层的ashmem_ioctl()，代码如下：
【kernel/msm-3.18/drivers/staging/android/Ashmem.c】
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:
case ASHMEM_GET_PIN_STATUS:
ret = ashmem_pin_unpin(asma, cmd, (void __user *) arg); // PIN/UNPIN都是调用它
break;
. . . . . .
. . . . . .
}
return ret;
}
【kernel/msm-3.18/drivers/staging/android/Ashmem.c】
static int ashmem_pin_unpin(struct ashmem_area *asma, unsigned long cmd,
void __user *p)
{
struct ashmem_pin pin; // 传入的ashmem_pin，其offset和len都为0
size_t pgstart, pgend;
int ret = -EINVAL;
......
if (unlikely(copy_from_user(&pin, p, sizeof(pin)))) // 读取从用户态传来的参数
return -EFAULT;
/* per custom, you can pass zero for len to mean "everything onward" */
if (!pin.len)
pin.len = PAGE_ALIGN(asma->size) - pin.offset; // 注意这句，当pin.len为0时，
// 会计算pin.len
......
// 计算出涉及的内存区域的起始和终止，此时是以页为单位
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;
case ASHMEM_GET_PIN_STATUS:
ret = ashmem_get_pin_status(asma, pgstart, pgend);
break;
}
mutex_unlock(&ashmem_mutex);
return ret;
}
我们来解读一下ashmem_pin_unpin()。首先调用copy_from_user()读取从用户态传来的参数。大家应该还记得前文提到的ashmem_pin参数吧，在MemoryFile里，强行把它的offset和len成员都是设为0了。当然，内核里其他地方也可能执行ashmem的pin操作，那时有可能为offset和len设置非0值。作为ashmem_pin_unpin()函数，它肯定要兼顾各种offset和len值，所以才有了上面代码里调用PAGE_ALIGN和整除PAGE_SIZE的句子。
不过有一点需要说明，因为在内核中是以页为单位来管理内存的，一般来说，一页的大小为4KB（即PAGE_SIZE）。所以在pin/unpin时，指定的len必须是页大小的整数倍，否则pgend的计算会有误。大家来看：
- 对于MemoryFile来说，因为传入的offset和len都为0，所以计算的pgstart和pgend都是正确的。比如我们的共享内存区有12KB，那么计算的情况是：pin.offset = 0
pin.len = PAGE_ALIGN(12KB) - 0 = 12KB
pgstart = 0 / PAGE_SIZE = 0
pgend = 0 + (12KB / PAGE_SIZE) - 1 = 2
即从第0页到第2页，这3个页会锁定。这个结果是正确的。这也说明MemoryFile了只允许整体性地将自己这块共享内存pin或unpin，它不涉及更细化地锁定解锁动作。 - 但如果我们不使用MemoryFile，而希望pin一块offset为1KB，len为5KB的内存，计算的情况就是：
pin.offset = 1KB
pin.len = 5KB
pgstart = 1KB / PAGE_SIZE = 0
pgend = 0 + (5KB / PAGE_SIZE) - 1 = 0
即只有第0页会锁定，这就没法交货了嘛。但如果len为8KB，则pgend为1，那么正确锁定两页。事实上我们建议，连offset都是按4KB整数倍对齐的。
好，不伤脑筋了。我们姑且认为拿到了正确的pgstart和pgend，接下来会调用的ashmem_pin()或ashmem_unpin()。一块虚拟内存刚映射好时，整个区域都是pinned状态，所以即便执行ashmem_pin()也不起什么作用。但是可以执行ashmem_unpin()，该函数的代码如下：
【kernel/msm-3.18/drivers/staging/android/Ashmem.c】
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:
// 遍历列表中的range
list_for_each_entry_safe(range, next, &asma->unpinned_list, unpinned) {
// 如果当前遍历的range节点的结束位置比pgstart还小，那么就可以在列表的
// 这个位置插入新range节点了
if (range_before_page(range, pgstart))
break;
// 如果当前遍历的range节点已经涵盖了pgstart、pgend所指定的范围，那么直接return即可
if (page_range_subsumed_by_range(range, pgstart, pgend))
return 0;
// 如果当前遍历的range和pgstart、pgend指定的范围有交集，那么要合并一下。即重新计
// 算pgstart、pgend，并且删掉旧range节点，然后用goto重新走一遍遍历动作
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);
}
这段代码还算比较清晰。我们在前文阐述ashmem_area结构时，没有细说它里面的unpinned_list成员：
struct list_head unpinned_list;
现在来补充说明一下，简单说来，它是一条节点类型为ashmem_range的双向链表，其中每一个ashmem_range节点表示一块连续的已解除锁定的内存区域。对于一块ashmem共享内存来说，我们可以多次从中切割出一部分来，释放掉对应的内存。这些被切除的部分，在逻辑上就可以作为一个个节点，插入到unpinned_list中。有时候被切除的部分刚好可以和其左右区域形成一块更大的区域，那么unpin动作里就会把它们拼接成一块大的节点，替换掉以前零散的节点。实际向unpinned_list插入节点的动作是range_alloc()，其代码如下：
【kernel/msm-3.18/drivers/staging/android/Ashmem.c】
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;
}
现在我们画一张关于unpinned_list的示意图：
相应地，pin操作就是在unpinned_list里寻找会影响到的unpinned的子块，然后调整这些子块的大小。因为pin操作只会让unpinned块更加零散，所以不牵扯合并区域的动作，倒是有可能添加新的unpinned节点。
【kernel/msm-3.18/drivers/staging/android/Ashmem.c】
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;
// 1：如果当前遍历的range可以成功纳入[pgstart,pgend]范围，则直接删除当前range
if (page_range_subsumes_range(range, pgstart, pgend)) {
range_del(range);
continue;
}
// 2：如果当前遍历的range的起始位置大于pgstart，则修改该range的大小，去掉
// 和[pgstart,pgend]重叠的部分
if (range->pgstart >= pgstart) {
range_shrink(range, pgend + 1, range->pgend);
continue;
}
// 3：如果当前遍历的range的结束位置小于等于pgend
if (range->pgend <= pgend) {
range_shrink(range, range->pgstart, pgstart-1);
continue;
}
// 4：pin操作只会让unpinned块更加零散，所以不牵扯合并区域的动作，
// 倒是有可能添加新的unpinned节点。这里就是为被pin区域打断的后半
// 部分unpinned区域申请节点。
range_alloc(asma, range, range->purged,
pgend + 1, range->pgend);
range_shrink(range, range->pgstart, pgstart - 1);
break;
}
}
return ret;
}
5.purge行为
ashmem还支持一种行为，即允许系统对它做部分或全部清除。这牵扯到操作系统对内存的管理。按我们初步的理解来说，ashmem驱动程序需要和系统内核一起协作起来才能较好地完成工作。我们可以设想有这样的规定：
1）即使在内存比较吃紧时，系统内核也不会清除ashmem里pin住的内存区域；
2）系统内核可以在合适的时机，清除某些unpinned的区域。
3）刚刚unpin的区域的状态为ASHMEM_NOT_PURGED，但系统内核清除这部分区域后，会将其状态修改为ASHMEM_WAS_PURGED。
MemoryFile里也有部分功能和purge相关，比如它提供有allowPurging()函数：
【frameworks/base/core/java/android/os/MemoryFile.java】
synchronized public boolean allowPurging(boolean allowPurging) throws IOException {
boolean oldValue = mAllowPurging;
if (oldValue != allowPurging) {
native_pin(mFD, !allowPurging);
mAllowPurging = allowPurging;
}
return oldValue;
}
当allowPurging参数为true时，表示允许系统内核在合适的时机，清除其unpinned部分。MemoryFile里的动作倒是干脆，只要调用者允许系统清除，就直接把整块共享内存区域unpin了。知道用户再次调用allowPurging，并传入false参数时，才会pin回来。
正因为MemoryFile支持了allowPurging()操作，所以在写入内容时，就得兼顾考虑这块共享内存是不是已经被purge了。这也就是为什么MemoryFile的writeBytes()在调用native_write()时，要把mAllowPurging作为最后一个参数传进来的原因。最后这个参数表示当前这块共享内存，是不是允许系统内核在合适的时机清除。如果该状态为true，表示这块共享内存目前处于unpinned状态，而如果为false，则表示处于pinned状态。
【frameworks/base/core/java/android/os/MemoryFile.java】
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();
}
// 注意，最后一个参数是表示当前是否允许系统purge
native_write(mFD, mAddress, buffer, srcOffset, destOffset, count, mAllowPurging);
}
native_write()对应的C++层函数为android_os_MemoryFile_write()：
【frameworks/base/core/jni/android_os_MemoryFile.cpp】
static jint android_os_MemoryFile_write(JNIEnv* env, jobject clazz,
jobject fileDescriptor, jlong 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;
}
中间那句if语句表达的意思就是，如果当前这个内存处于没有锁定的状态，那么write操作就会尝试“临时性地”做一次锁定，如果pin的结果反馈的是ASHMEM_NOT_PURGED，说明系统内核还没有清除这块内存区域，因此可以放心写入数据。相反，如果pin的结果反馈的是ASHMEM_WAS_PURGED，说明系统已经清除了这块内存区域，那么就将“临时性”的pin恢复回去，并抛出一个IOException异常。具体写入数据的动作是GetByteArrayRegion()，它会把源buffer里的一部分，写到以address+destOffset地址为起始地址的内存去。
6.跨进程传递文件描述符
说完pin和purge操作，接下来我们来说说跨进程传递文件描述符。我们已经知道，在MemoryFile的构造函数里，会创建出一块共享内存，并用一个FileDescriptor文件描述符记录它，这个在前文已有说明：
mFD = native_open(name, length);
那么很明显，MemoryFile内部最核心的东西，也就来源于这个文件描述符。事实上，在早期的Android版本中，MemoryFile有两个构造函数，除了前文我们看到的MemoryFile(String name, int length)，还有另一个可接受文件描述符的构造函数MemoryFile(FileDescriptor fd, int lenght, String mode)，其内部会对传入的文件描述符重新mmap。这大概是为了更方便地使用跨进程传来的文件描述符。然而后来也许MemoryFile的设计师的设计思路变化了，变得不再希望开发人员跨进程地使用MemoryFile了，所以在后来的Android版本中，彻底去除了这个构造函数。
MemoryFile倒是还保有一个成员函数getFileDescriptor()，可以返回已打开的文件描述符：
public FileDescriptor getFileDescriptor() throws IOException {
return mFD;
}
只不过MemoryFile的设计者并不希望普通的应用程序开发人员直接调用这个函数，所以这个函数是用@hide标注的。网上有一些例子，为了说明如何跨进程地使用共享内存，会使用反射机制来调用这个函数，从而拿到FileDescriptor，然后再利用binder机制来跨进程传递FileDescriptor。严格说起来，这种例子可以作为参考，但已经不是Android上建议的使用共享内存的做法了。实际上，Android上建议的做法是利用pipe，这个本文就不细说了。
在Android上，要跨进程传递文件描述符，我们常常会用到一个ParcelFileDescriptor类。这个类倒是和MemoryFile有些许交集，比如ParcelFileDescriptor里提供有一个静态的fromData()函数，其内部就会创建一个MemoryFile，并返回对应的ParcelFileDescriptor，参考代码如下：
【frameworks/base/core/java/android/os/ParcelFileDescriptor.java】
@Deprecated
public static ParcelFileDescriptor fromData(byte[] data, String name) throws IOException {
if (data == null) return null;
MemoryFile file = new MemoryFile(name, data.length);
if (data.length > 0) {
file.writeBytes(data, 0, 0, data.length);
}
file.deactivate(); // unmmap操作
FileDescriptor fd = file.getFileDescriptor(); // 不用反射，即可直接调用getFileDescriptor()
return fd != null ? new ParcelFileDescriptor(fd) : null;
}
从这部分代码和注释里，我们可以看到：
1）fromData()内部使用的是MemoryFile的隐藏接口getFileDescriptor()；（因为它是framework里的类，所以可以直接访问隐藏接口）
2）fromData()已经不建议使用了（有@Deprecated标注）；
3）新的推荐方法为createPipe()或ContentProvider.openPipeHelper()。
目标端收到ParcelFileDescriptor之后，简单的做法可以这样：
ParcelFileDescriptor pfd = ......; fileDescriptor = pfd.getFileDescriptor(); // 从ParcelFileDescriptor获取到FileDescriptor fi = new FileInputStream(fileDescriptor); fi.read(buffer); fi.close();
至于传递的细节，大家可以参考binder相关的具体代码，此处不赘述。我们只需知道，源端和目标端进程可以拿到各自的关于共享内存的文件描述符，而这两个文件描述符在内核里对应着同一个file和ashmem_area，本文一开始绘制的示意图大体就是这个意思。
7.小结
有关Ashmem的机制，我们就先说这么多。说起来主要是以MemoryFile为切入点，对Ashmem做了一些说明。但大家自己要清楚，MemoryFile受限于技术，对普通应用开发者而言，并不是一个好的选择。大家在实际项目中一定要谨慎使用之。因为本文的重点是说明Ashmem技术，所以就不扩展来说Android上其他常用的跨进程共享内存的方法了，大家如有兴趣，可以找找ContentProvider和pipe方面的资料看看，应该会有所收获。当然，以后我也会写其他文章，专门来说说ContentProvider和pipe。
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