从 ION 转换到 DMA-BUF 堆

在 Android 12 中，GKI 2.0 将 ION 分配器替换为 DMA-BUF 堆，原因如下：

  • 安全性：因为每个 DMA-BUF 堆都是一个单独的字符设备，所以可以使用 sepolicy 单独控制对每个堆的访问。这对于 ION 是不可能的，因为从任何堆分配只需要访问/dev/ion设备。
  • ABI 稳定性：与 ION 不同，DMA-BUF 堆框架的 IOCTL 接口保证 ABI 稳定，因为它在上游 Linux 内核中维护。
  • 标准化：DMA-BUF 堆框架提供了良好定义的 UAPI。 ION 允许自定义标志和堆 ID，这会阻止开发通用测试框架，因为每个设备的 ION 实现可能会有不同的行为。

Android Common Kernel 的android12-5.10分支于2021 年 3 月 1 日禁用了CONFIG_ION 。

背景

以下是 ION 和 DMA-BUF 堆之间的简要比较。

ION 和 DMA-BUF 堆框架之间的相似之处

  • ION 和 DMA-BUF 堆框架都是基于堆的 DMA-BUF 导出器。
  • 他们都让每个堆定义自己的分配器和 DMA-BUF 操作。
  • 分配性能相似，因为两种方案都需要一个 IOCTL 进行分配。

ION 和 DMA-BUF 堆框架的区别

离子堆DMA-BUF 堆
所有 ION 分配都使用/dev/ion完成。每个 DMA-BUF 堆都是一个字符设备，位于/dev/dma_heap/<heap_name> 。
ION 支持堆私有标志。 DMA-BUF 堆不支持堆私有标志。相反，每种不同类型的分配都是从不同的堆中完成的。例如，缓存和未缓存的系统堆变体是位于/dev/dma_heap/system和/dev/dma_heap/system_uncached的单独堆。
需要为分配指定堆 ID/掩码和标志。堆名称用于分配。

以下部分列出了处理 ION 的组件，并描述了如何将它们切换到 DMA-BUF 堆框架。

将内核驱动程序从 ION 转换为 DMA-BUF 堆

实现 ION 堆的内核驱动程序

ION 和 DMA-BUF 堆都允许每个堆实现自己的分配器和 DMA-BUF 操作。因此，您可以通过使用一组不同的 API 来注册堆，从 ION 堆实现切换到 DMA-BUF 堆实现。此表显示了 ION 堆注册 API 及其等效的 DMA-BUF 堆 API。

离子堆DMA-BUF 堆
void ion_device_add_heap(struct ion_heap *heap) struct dma_heap *dma_heap_add(const struct dma_heap_export_info *exp_info);
void ion_device_remove_heap(struct ion_heap *heap) void dma_heap_put(struct dma_heap *heap);

DMA-BUF 堆不支持堆私有标志。因此必须使用dma_heap_add() API 单独注册堆的每个变体。为了便于代码共享，建议在同一个驱动程序中注册同一个堆的所有变体。这个dma-buf: system_heap示例显示了系统堆的缓存和未缓存变体的实现。

使用此dma-buf: heaps: 示例模板从头开始创建 DMA-BUF 堆。

直接从 ION 堆分配的内核驱动程序

DMA-BUF 堆框架还为内核客户端提供了分配接口。 DMA-BUF 堆提供的接口不是指定堆掩码和标志来选择分配类型，而是将堆名称作为输入。

下面显示了内核中的 ION 分配 API 及其等效的 DMA-BUF 堆分配 API。内核驱动程序可以使用dma_heap_find() API 来查询堆的存在。 API 返回指向struct dma_heap实例的指针，然后可以将其作为参数传递给dma_heap_buffer_alloc() API。

离子堆DMA-BUF 堆
struct dma_buf *ion_alloc(size_t len, unsigned int heap_id_mask, unsigned int flags)

struct dma_heap *dma_heap_find(const char *name)

struct dma_buf *struct dma_buf *dma_heap_buffer_alloc(struct dma_heap *heap, size_t len, unsigned int fd_flags, unsigned int heap_flags)

使用 DMA-BUF 的内核驱动程序

仅导入 DMA-BUF 的驱动程序不需要更改，因为从 ION 堆分配的缓冲区的行为与从等效 DMA-BUF 堆分配的缓冲区完全相同。

将 ION 的用户空间客户端转换为 DMA-BUF 堆

为了使 ION 的用户空间客户端的转换变得容易，可以使用一个名为libdmabufheap的抽象库。 libdmabufheap支持在 DMA-BUF 堆和 ION 堆中分配。它首先检查是否存在指定名称的 DMA-BUF 堆，如果不存在，则回退到等效的 ION 堆（如果存在）。

客户端应该在初始化期间初始化一个BufferAllocator对象，而不是/dev/ion using ion_open() 。这是因为通过打开/dev/ion和/dev/dma_heap/<heap_name>创建的文件描述符由BufferAllocator对象在内部进行管理。

要从libion切换到libdmabufheap ，请修改客户端的行为，如下所示：

  • 跟踪用于分配的堆名称，而不是头 ID/掩码和堆标志。
  • 将采用堆掩码和标志参数的ion_alloc_fd() API 替换为采用堆名称的BufferAllocator::Alloc() API。

此表通过显示libion和libdmabufheap如何进行未缓存的系统堆分配来说明这些更改。

分配类型利比昂libdmabufheap
从系统堆缓存分配ion_alloc_fd(ionfd, size, 0, ION_HEAP_SYSTEM, ION_FLAG_CACHED, &fd) allocator->Alloc("system", size)
来自系统堆的未缓存分配ion_alloc_fd(ionfd, size, 0, ION_HEAP_SYSTEM, 0, &fd) allocator->Alloc("system-uncached", size)

未缓存的系统堆变体正在等待上游批准，但已经是android12-5.10分支的一部分。

为了支持升级设备， MapNameToIonHeap() API 允许将堆名称映射到 ION 堆参数（堆名称/掩码和标志），以允许这些接口也使用基于名称的分配。这是一个基于名称的分配示例。

libdmabufheap公开的每个 API的文档都是可用的。该库还公开了一个供 C 客户端使用的头文件。

参考 Gralloc 实现

Hikey960 gralloc 实现使用libdmabufheap ，因此您可以将其用作参考实现。

所需的未事件添加

对于创建的任何新的特定于设备的 DMA-BUF 堆，将新条目添加到设备的ueventd.rc文件中。此Setup ueventd to support DMA-BUF heaps 示例演示了如何为 DMA-BUF 系统堆完成此操作。

所需的 sepolicy 添加

添加 sepolicy 权限以使用户空间客户端能够访问新的 DMA-BUF 堆。此添加所需权限示例显示了为各种客户端访问 DMA-BUF 系统堆创建的 sepolicy 权限。

从框架代码访问供应商堆

为了确保 Treble 合规性，框架代码只能从预先批准的供应商堆类别中分配。

根据从合作伙伴处收到的反馈，Google 确定了必须从框架代码访问的两类供应商堆：

  1. 基于具有设备或 SoC 特定性能优化的系统堆的堆。
  2. 从受保护内存中分配的堆。

基于具有设备或 SoC 特定性能优化的系统堆的堆

为了支持这个用例，可以覆盖默认 DMA-BUF 堆系统的堆实现。

  • CONFIG_DMABUF_HEAPS_SYSTEM在gki_defconfig中被关闭以允许它成为供应商模块。
  • VTS 合规性测试确保堆存在于/dev/dma_heap/system 。测试还验证堆可以从用户空间分配，并且返回的文件描述符（ fd ）可以从用户空间进行内存映射（mmapped）。

前面的几点也适用于系统堆的未缓存变体，尽管它的存在对于完全 IO 一致的设备不是强制性的。

从受保护内存分配的堆

安全堆实现必须是特定于供应商的，因为 Android 通用内核不支持通用安全堆实现。

  • 将您的特定于供应商的实现注册为/dev/dma_heap/system-secure<vendor-suffix> 。
  • 这些堆实现是可选的。
  • 如果堆存在，VTS 测试确保可以从它们进行分配。
  • 为框架组件提供了对这些堆的访问权限，以便它们可以通过 Codec2 HAL/非绑定的相同进程 HAL 启用堆使用。但是，由于其实现细节的可变性，通用 Android 框架功能不能依赖于它们。如果将来将通用安全堆实现添加到 Android Common Kernel，它必须使用不同的 ABI 以避免与升级设备发生冲突。

用于 DMA-BUF 堆的编解码器 2 分配器

用于 DMA-BUF 堆接口的编解码器 2 分配器在 AOSP 中可用。

允许从 C2 HAL 指定堆参数的组件存储接口可用于 C2 DMA-BUF 堆分配器。

ION 堆的示例转换流程

为了平滑从 ION 到 DMA-BUF 堆的转换， libdmabufheap允许一次切换一个堆。以下步骤演示了用于转换名为my_heap的非传统 ION 堆的建议工作流程，该堆支持一个标志ION_FLAG_MY_FLAG 。

第 1步：在 DMA-BUF 框架中创建 ION 堆的等价物。在此示例中，因为 ION 堆my_heap支持标志ION_FLAG_MY_FLAG ，所以我们注册了两个 DMA-BUF 堆：

  • my_heap行为与禁用标志ION_FLAG_MY_FLAG的 ION 堆的行为完全匹配。
  • my_heap_special行为与启用了标志ION_FLAG_MY_FLAG的 ION 堆的行为完全匹配。

第 2 步：为新的my_heap和my_heap_special DMA-BUF 堆创建 ueventd 更改。此时，堆显示为/dev/dma_heap/my_heap和/dev/dma_heap/my_heap_special ，具有预期的权限。

第 3 步：对于从my_heap分配的客户端，修改其 makefile 以链接到libdmabufheap 。在客户端初始化期间，实例化一个BufferAllocator对象并使用MapNameToIonHeap() API 将<ION heap name/mask, flag>组合映射到等效的 DMA-BUF 堆名称。

例如：

allocator->MapNameToIonHeap("my_heap_special" /* name of DMA-BUF heap */, "my_heap" /* name of the ION heap */, ION_FLAG_MY_FLAG /* ion flags */ )

您可以通过将 ION heap name 参数设置为空来创建从<ION heap mask, flag>到等效 DMA-BUF 堆名称的映射，而不是使用带有 name 和 flag 参数的MapNameToIonHeap() API。

第 4 步：使用适当的堆名称将ion_alloc_fd()调用替换为BufferAllocator::Alloc() 。

分配类型利比昂libdmabufheap
未设置标志ION_FLAG_MY_FLAG的my_heap分配ion_alloc_fd(ionfd, size, 0, ION_HEAP_MY_HEAP, 0, &fd) allocator->Alloc("my_heap", size
从my_heap进行分配并设置了标志ION_FLAG_MY_FLAG ion_alloc_fd(ionfd, size, 0, ION_HEAP_MY_HEAP, ION_FLAG_MY_FLAG, &fd) allocator->Alloc("my_heap_special", size)

此时，客户端正常运行，但仍从 ION 堆分配，因为它没有打开 DMA-BUF 堆所需的 sepolicy 权限。

第 5 步：创建客户端访问新 DMA-BUF 堆所需的 sepolicy 权限。客户端现在完全可以从新的 DMA-BUF 堆进行分配。

第 6 步：通过检查logcat验证分配是否从新的 DMA-BUF 堆发生。

第 7 步：禁用内核中的 ION 堆my_heap 。如果客户端代码不需要支持升级设备（其内核可能只支持 ION 堆），您还可以删除MapNameToIonHeap()调用。