将 ION 堆转换为 DMA-BUF 堆

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

  • 安全性：由于每个 DMA-BUF 堆都是一台单独的字符设备，因此可以通过 sepolicy 单独控制对每个堆的访问权限。这对于 ION 而言是不可能的，因为从任何堆进行分配只需要访问 /dev/ion 设备。
  • ABI 稳定性：与 ION 不同，DMA-BUF 堆框架的 IOCTL 接口具有稳定的 ABI，因为它是在上游 Linux 内核中维护的。
  • 标准化：DMA-BUF 堆框架提供了一个明确定义的 UAPI。ION 允许使用自定义标志和堆 ID，这会阻碍通用测试框架的开发，因为每台设备的 ION 实现可能会出现不同的行为。

Android 通用内核的 android12-5.10 分支已于 2021 年 3 月 1 日停用 CONFIG_ION。

背景

下面简要比较了 ION 堆和 DMA-BUF 堆。

ION 堆和 DMA-BUF 堆框架之间的相似之处

  • ION 堆和 DMA-BUF 堆框架都是基于堆的 DMA-BUF 导出器。
  • 它们都允许各个堆定义自己的分配器和 DMA-BUF 操作。
  • 分配性能类似，因为这两种方案都需要单个 IOCTL 来进行分配。

ION 堆和 DMA-BUF 堆框架之间的不同之处

ION 堆 DMA-BUF 堆
所有 ION 分配都是通过 /dev/ion 完成的。 每个 DMA-BUF 堆都是一台位于 /dev/dma_heap/<heap_name> 的字符设备。
ION 支持堆专用标志。 DMA-BUF 堆不支持堆专用标志。每种不同的分配都是在不同的堆中完成的。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 的独立堆。
需要指定堆 ID/掩码和标志才能进行分配。 堆名称用于分配。

以下几个部分列出了负责处理 ION 的组件，并说明了如何将其切换到 DMA-BUF 堆框架。

将内核驱动程序从 ION 堆转换到 DMA-BUF 堆

用于实现 ION 堆的内核驱动程序

ION 堆和 DMA-BUF 堆都允许各个堆实现自己的分配器和 DMA-BUF 操作。因此，您可以使用一组不同的 API 来注册堆，从 ION 堆实现切换为 DMA-BUF 堆实现。下表显示了 ION 堆注册 API 及其等效的 DMA-BUF 堆 API。

ION 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 堆不支持堆专用标志。因此，这类堆的每个变体都必须使用 dma_heap_add() API 单独注册。为方便代码共享，建议在同一驱动程序中注册同一堆的所有变体。这个 dma-buf: system_heap 示例展示了系统堆的缓存和未缓存变体的实现。

使用这个 dma-buf: heaps：示例模板可从头开始创建 DMA-BUF 堆。

用于直接从 ION 堆进行分配的内核驱动程序

DMA-BUF 堆框架还为内核中的客户端提供了分配接口。DMA-BUF 堆提供的接口会将堆名称作为输入，而不是通过指定堆掩码和标志来选择分配类型。

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 查询某个堆是否存在。该 API 会返回一个指向 struct dma_heap 实例的指针，后者随后可作为参数传递给 dma_heap_buffer_alloc() API。

ION 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

无需对仅导入 DMA-BUF 的驱动程序进行更改，因为从 ION 堆分配的缓冲区在行为上与从等效 DMA-BUF 堆分配的缓冲区完全相同。

将用户空间客户端从 ION 堆转换到 DMA-BUF 堆

为了简化 ION 用户空间客户端的转换，我们提供了一个名为 libdmabufheap 的抽象库。libdmabufheap 支持在 DMA-BUF 堆和 ION 堆中分配。它首先检查具有指定名称的 DMA-BUF 堆是否存在，如果不存在，则回退到等效的 ION 堆（如果后者存在的话）。

客户端应在初始化期间初始化 BufferAllocator 对象，而不是打开 /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 对象在内部管理。

如需从 libion 切换到 libdmabufheap，请按如下所述修改客户端的行为：

  • 记录用于分配的堆名称，而不是堆 ID/掩码和堆标志。
  • 将接受堆掩码和标志参数的 ion_alloc_fd() API 替换为接受堆名称的 BufferAllocator::Alloc() API。

下表通过展示 libion 和 libdmabufheap 如何执行未缓存的系统堆分配来说明这些更改。

分配类型 libion libdmabufheap
系统堆中的缓存分配 ion_alloc_fd(ionfd, size, 0, ION_HEAP_SYSTEM, ION_FLAG_CACHED, &fd) allocator->Alloc("system", size)
系统堆中的未缓存分配 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审批，但已是 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（堆名称或掩码和标志），以便这些接口使用基于名称的分配。这是一个基于名称的分配示例。

我们提供了有关 libdmabufheap 公开的每个 API 的文档。这个库也公开了一个供 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。

必需的 ueventd 添加项

对于已创建的设备专属的任何新 DMA-BUF 堆，请向设备的 ueventd.rc 文件中添加一个新条目。这个设置 ueventd 以支持 DMA-BUFF 堆的示例展示了针对 DMA-BUF 系统堆是如何做到这一点的。

必需的 sepolicy 添加项

添加 sepolicy 权限，使用户空间客户端能够访问新的 DMA-BUF 堆。 这个添加必需权限示例介绍了为支持各客户端访问 DMA-BUF 系统堆而创建的 sepolicy 权限。

通过框架代码访问供应商堆

为确保 Treble 合规性，框架代码只能从预先批准的供应商堆类别中进行分配。

根据合作伙伴的反馈，Google 确定了两类必须通过框架代码访问的供应商堆：

  1. 基于系统堆的堆（具有设备或 SoC 专用的性能优化功能）。
  2. 从受保护的内存中分配的堆。

基于系统堆的堆（具有设备或 SoC 专用的性能优化功能）

为了支持此用例，可以替换默认 DMA-BUF 堆系统的堆实现。

  • gki_defconfig 中的 CONFIG_DMABUF_HEAPS_SYSTEM 已关闭，这使其可成为供应商模块。
  • VTS 合规性测试会确保堆位于 /dev/dma_heap/system 中。 此外，这些测试还会验证是否可以通过堆进行分配，以及返回的文件描述符 (fd) 是否可以从用户空间内存映射 (mmapped)。

上述要点也适用于系统堆的未缓存变体，但对于完全 IO 一致的设备，并不强制要求存在这种堆。

从受保护的内存中分配的堆

安全的堆实现必须特定于供应商，因为 Android 通用内核不支持通用的安全堆实现。

  • 将您的供应商专用实现注册为 /dev/dma_heap/system-secure<vendor-suffix>。
  • 这些堆实现是可选的。
  • 如果这些堆存在，VTS 测试会确保可以通过这些堆进行分配。
  • 框架组件可以获得对这些堆的访问权限，因此，它们可以通过 Codec2 HAL/非捆绑式 Same-Process HAL 支持堆的使用。不过，通用 Android 框架功能不能依赖于它们，因为它们的实现详情具有变化性。如果未来将通用的安全堆实现添加到 Android 通用内核，该实现必须使用其他 ABI，以避免与升级设备发生冲突。

适用于 DMA-BUF 堆的 Codec2 分配器

AOSP 中提供了适用于 DMA-BUF 堆接口的 Codec2 分配器。

允许从 C2 HAL 指定堆参数的组件存储接口可与 C2 DMA-BUF 堆分配器配合使用。

ION 堆的转换流程示例

为了顺利从 ION 堆转换为 DMA-BUF 堆，libdmabufheap 允许一次切换一个堆。以下步骤展示了转换一个名为 my_heap 的非旧版 ION 堆（支持一个标志 ION_FLAG_MY_FLAG）的建议工作流程。

第 1 步：在 DMA-BUF 框架中创建等效的 ION 堆。在此示例中，由于 ION 堆 my_heap 支持 ION_FLAG_MY_FLAG 标志，因此我们注册了两个 DMA-BUF 堆：

  • my_heap：在行为上与停用了 ION_FLAG_MY_FLAG 标志的 ION 堆完全匹配。
  • my_heap_special：在行为上与启用了 ION_FLAG_MY_FLAG 标志的 ION 堆完全匹配。

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

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 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 堆名称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，而不是将 MapNameToIonHeap() API 与名称和标志参数搭配使用。

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 libion libdmabufheap
来自 my_heap 的分配，未设置 ION_FLAG_MY_FLAG 标志 ion_alloc_fd(ionfd, size, 0, ION_HEAP_MY_HEAP, 0, &fd) allocator->Alloc("my_heap", size)
来自 my_heap 的分配，已设置 ION_FLAG_MY_FLAG 标志 ion_alloc_fd(ionfd, size, 0, ION_HEAP_MY_HEAP, ION_FLAG_MY_FLAG, &fd) allocator->Alloc("my_heap_special", size)

此时，客户端可以正常运行，但仍会从 ION 堆中分配，因为它不具备打开 DMA-BUF 堆所需的 sepolicy 权限。

第 5 步：创建客户端访问新的 DMA-BUF 堆所需的 sepolicy 权限。客户端现已完全准备好从新的 DMA-BUF 堆进行分配。

第 6 步：通过检查 logcat 来验证是否正在从新的 DMA-BUF 堆进行分配。

第 7 步：在内核中停用 ION 堆 my_heap。如果客户端代码不需要支持升级设备（其内核可能仅支持 ION 堆），您还可以移除 MapNameToIonHeap() 调用。