Android系统匿名共享内存(AnonymousSharedMemory)C++调用接口分析

Android系统匿名共享内存（AnonymousSharedMemory）C++调用接口分析在Android系统中，针对移动设备内存空间有限的特点，提供了一种在进程间共享数据的机制：匿名共享内存，它能够辅助内存管理系统来有效地管理内存，它的实现原理我们在前面已经分析过了。为了方便使用匿名共享内存机制，系统还提供了Java调用接口（MemoryFile）和C++调用接口（MemoryHeapBase、MemoryBase），Java接口在前面也已经分析过了，本文中将继续分析它的C++接口。在前面一篇文章中，我们分析了匿名共享内存驱动程序Ashmem的实现，重点介绍了它是如何辅助内存管理系统来有效地管理内存的，简单来说，它就是给使用者提供锁机制来辅助管理内存，当我们申请了一大块匿名共享内存时，中间过程有一部分不需要使用时，我们就可以将这一部分内存块解锁，这样内存管理系统就可以把它回收回去了。接着又在前面一篇文章中，我们分析了匿名共享内存是如何通过Binder进程间通信机制来实现在进程间共享的，简单来说，就是每一个匿名共享内存块都是一个文件，当我们需要在进程间共享时，就把这个文件的打开描述符通过Binder进程间通信机制传递给另一外进程，在传递的过程中，Binder驱动程序就通过这个复制这个打开文件描述符到目标进程中去，从而实现数据共享。在文章中，我们介绍了如何在Android应用程序中使用匿名共享内存，主要是通过应用程序框架层提供的MemoryFile接口来使用的，而MemoryFile接口是通过JNI方法调用到系统运行时库层中的匿名共享内存C接口，最终通过这些C接口来使用内核空间中的匿名共享内存驱动模块。为了方便开发者灵活地使用匿名共享内存，Android系统在应用程序框架层中还提供了使用匿名共享内存的C++接口，例如，Android应用程序四大组件之一ContentProvider，它在应用程序间共享数据时，就是通过匿名共享内存机制来实现，但是它并不是通过MemoryFile接口来使用，而是通过调用C++接口中的MemoryBase类和MemoryHeapBase类来使用。在接下来的内容中，我们就详细分析MemoryHeapBase类和MemoryBase类的实现，以及它们是如何实现在进程间共享数据的。如果我们想在进程间共享一个完整的匿名共享内存块，可以通过使用MemoryHeapBase接口来实现，如果我们只想在进程间共享一个匿名共享内存块中的其中一部分时，就可以通过MemoryBase接口来实现。MemoryBase接口是建立在MemoryHeapBase接口的基础上面的，它们都可以作为一个Binder对象来在进程间传输，因此，希望读者在继续阅读本文之前，对Android系统的Binder进程间通信机制有一定的了解，具体可以参考前面一篇文章。下面我们就首先分析MemoryHeapBase接口的实现，然后再分析MemoryBase接口的实现，最后，通过一个实例来说明它们是如何使用的。1.MemoryHeapBase前面说到，MemoryHeapBase类的对象可以作为Binder对象在进程间传输，作为一个Binder对象，就有Server端对象和Client端引用的概念，其中，Server端对象必须要实现一个BnInterface接口，而Client端引用必须要实现一个BpInterface接口。下面我们就先看一下MemoryHeapBase在Server端实现的类图：这个类图中的类可以划分为两部分，一部分是和业务相关的，即跟匿名共享内存操作相关的类，包括MemoryHeapBase、IMemoryBase和RefBase三个类，另一部分是和Binder机制相关的，包括IInterface、BnInterface、BnMemoryHeap、IBinder、BBinder、ProcessState和IPCThreadState七个类。我们先来看跟匿名共享内存业务相关的这部分类的逻辑关系。IMemoryBase定义了匿名共享内操作的接口，而MemoryHeapBase是作为Binder机制中的Server角色的，因此，它需要实现IMemoryBase接口，此外，MemoryHeapBase还继承了RefBase类。从前面一篇文章中，我们知道，继承了RefBase类的子类，它们的对象都可以结合Android系统的智能指针来使用，因此，我们在实例化MemoryHeapBase类时，可以通过智能指针来管理它们的生命周期。再来看和Binder机制相关的这部分类的逻辑关系。从这篇文章中，我们知道，所有的Binder对象都必须实现IInterface接口，无论是Server端实体对象，还是Client端引用对象，通过这个接口的asBinder成员函数我们可以获得Binder对象的IBinder接口，然后通过Binder驱动程序把它传输给另外一个进程。当一个类的对象作为Server端的实体对象时，它还必须实现一个模板类BnInterface，这里负责实例化模板类BnInterface的类便是BnMemoryHeap类了，它里面有一个重要的成员函数onTransact，当Client端引用请求Server端对象执行命令时，Binder系统就会调用BnMemoryHeap类的onTransact成员函数来执行具体的命令。当一个类的对象作为Server端的实体对象时，它还要继承于BBinder类，这是一个实现了IBinder接口的类，它里面有一个重要的成员函数transact，当我们从Server端线程中接收到Client端的请求时，就会调用注册在这个线程中的BBinder对象的transact函数来处理这个请求，而这个transact函数会将这些Client端请求转发给BnMemoryHeap类的onTransact成员函数来处理。最后，ProcessState和IPCThreadState两个类是负责和Binder驱动程序打交道的，其中，ProcessState负责打开Binder设备文件/dev/binder，打开了这个Binder设备文件后，就会得到一个打开设备文件描述符，而IPCThreadState就是通过这个设备文件描述符来和Binder驱动程序进行交互的，例如它通过一个for循环来不断地等待Binder驱动程序通知它有新的Client端请求到来了，一旦有新的Client端请求到来，它就会调用相应的BBinder对象的transact函数来处理。本文我们主要是要关注和匿名共享内存业务相关的这部分类，即IMemoryBase和MemoryHeapBase类的实现，和Binder机制相关的这部分类的实现，可以参考一文。IMemoryBase类主要定义了几个重要的操作匿名共享内存的方法，它定义在frameworks/base/include/binder/IMemory.h文件中：[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片classIMemoryHeap:publicIInterface{public:......virtualintgetHeapID()const=0;virtualvoid*getBase()const=0;virtualsize_tgetSize()const=0;......};成员函数getHeapID是用来获得匿名共享内存块的打开文件描述符的；成员函数getBase是用来获得匿名共享内存块的基地址的，有了这个地址之后，我们就可以在程序里面直接访问这块共享内存了；成员函数getSize是用来获得匿名共享内存块的大小的。MemoryHeapBase类主要用来实现上面IMemoryBase类中列出来的几个成员函数的，这个类声明在frameworks/base/include/binder/MemoryHeapBase.h文件中：[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片classMemoryHeapBase:publicvirtualBnMemoryHeap{public:....../**mapsmemoryfromashmem,withthegivennamefordebugging*/MemoryHeapBase(size_tsize,uint32_tflags=0,charconst*name=NULL);....../*implementIMemoryHeapinterface*/virtualintgetHeapID()const;virtualvoid*getBase()const;virtualsize_tgetSize()const;......private:intmFD;size_tmSize;void*mBase;......}MemoryHeapBase类的实现定义在frameworks/base/libs/binder/MemoryHeapBase.cpp文件中，我们先来看一下它的构造函数的实现：[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片MemoryHeapBase::MemoryHeapBase(size_tsize,uint32_tflags,charconst*name):mFD(-1),mSize(0),mBase(MAP_FAILED),mFlags(flags),mDevice(0),mNeedUnmap(false){constsize_tpagesize=getpagesize();size=((size+pagesize-1)&~(pagesize-1));intfd=ashmem_create_region(name==NULL?MemoryHeapBase:name,size);LOGE_IF(fd0,errorcreatingashmemregion:%s,strerror(errno));if(fd=0){if(mapfd(fd,size)==NO_ERROR){if(flags&READ_ONLY){ashmem_set_prot_region(fd,PROT_READ);}}}}这个构造函数有三个参数，其中size表示要创建的匿名共享内存的大小，flags是用来设置这块匿名共享内存的属性的，例如是可读写的还是只读的，name是用来标识这个匿名共享内存的名字的，可以传空值进来，这个参数只是作为调试信息使用的。MemoryHeapBase类创建的匿名共享内存是以页为单位的，页的大小一般为4K，但是是可以设置的，这个函数首先通过getpagesize函数获得系统中一页内存的大小值，然后把size参数对齐到页大小去，即如果size不是页大小的整数倍时，就增加它的大小，使得它的值为页大小的整数倍：[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片constsize_tpagesize=getpagesize();size=((size+pagesize-1)&~(pagesize-1));调整好size的大小后，就调用系统运行时库层的C接口ashmem_create_region来创建一块共享内存了：[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片intfd=ashmem_create_region(name==NULL?MemoryHeapBase:name,size);这个函数我们在前面一篇文章中可以介绍过了，这里不再详细，它只要就是通过Ashmem驱动程序来创建一个匿名共享内存文件，因此，它的返回值是一个文件描述符。得到了这个匿名共享内存的文件描述符后，还需要调用mapfd成函数把它映射到进程地址空间去：[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片status_tMemoryHeapBase::mapfd(intfd,size_tsize,uint32_toffset)