Binder驱动之内存映射----binder_mmap
16lz
2021-01-26
一 内存映射函数的实现 binder_mmap(kernel/drivers/android/binder.c)
static int binder_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma/*用户态虚拟地址空间描述，地址空间在0～3G*/){ int ret; /* 一块连续的内核虚拟地址空间描述，32位体系架构中地址空间在 3G+896M + 8M ～ 4G之间*/ struct vm_struct *area; struct binder_proc *proc = filp->private_data; const char *failure_string; struct binder_buffer *buffer; if (proc->tsk != current) return -EINVAL; //申请空间不能大于4M，如果大于4M就改为4M大小。 if ((vma->vm_end - vma->vm_start) > SZ_4M) vma->vm_end = vma->vm_start + SZ_4M; binder_debug(BINDER_DEBUG_OPEN_CLOSE, "binder_mmap: %d %lx-%lx (%ld K) vma %lx pagep %lx\n", proc->pid, vma->vm_start, vma->vm_end, (vma->vm_end - vma->vm_start) / SZ_1K, vma->vm_flags, (unsigned long)pgprot_val(vma->vm_page_prot)); //检查vma是否被forbidden，vma是一块连续的用户态虚拟内存地址空间的描述 if (vma->vm_flags & FORBIDDEN_MMAP_FLAGS) { ret = -EPERM; failure_string = "bad vm_flags"; goto err_bad_arg; } //打开VM_DONTCOPY,关闭VM_MAYWRITE vma->vm_flags = (vma->vm_flags | VM_DONTCOPY) & ~VM_MAYWRITE; //加上binder_mmap_lock互斥锁，因为接下来要操作proc结构体，可能发生多线程竞争 mutex_lock(&binder_mmap_lock); //一个进程已经有一次mmap，如要执行新的map，需先将之前的unmap。 if (proc->buffer) { ret = -EBUSY; failure_string = "already mapped"; goto err_already_mapped; } /* 获取一块与用户态空间大小一致的内核的连续虚拟地址空间， * 注意虚拟地址空间是在此一次性分配的，物理页面却是需要时才去申请和映射 */ area = get_vm_area(vma->vm_end - vma->vm_start, VM_IOREMAP); if (area == NULL) { ret = -ENOMEM; failure_string = "get_vm_area"; goto err_get_vm_area_failed; } //将内核虚拟地址记录在proc的buffer中 proc->buffer = area->addr; /* 记录用户态虚拟地址空间与内核态虚拟地址空间的偏移量， * 这样通过buffer和user_buffer_offset就可以计算出用户态的虚拟地址。 */ proc->user_buffer_offset = vma->vm_start - (uintptr_t)proc->buffer; /*释放互斥锁*/ mutex_unlock(&binder_mmap_lock);#ifdef CONFIG_CPU_CACHE_VIPT /* CPU的缓存方式是否为： VIPT（Virtual Index Physical Tag）：使用虚拟地址的索引域和物理地址的标记域。 * 这里先不管，有兴趣的可参照：[https://blog.csdn.net/Q_AN1314/article/details/78980191](https://blog.csdn.net/Q_AN1314/article/details/78980191) */ if (cache_is_vipt_aliasing()) { while (CACHE_COLOUR((vma->vm_start ^ (uint32_t)proc->buffer))) { pr_info("binder_mmap: %d %lx-%lx maps %p bad alignment\n", proc->pid, vma->vm_start, vma->vm_end, proc->buffer); vma->vm_start += PAGE_SIZE; } }#endif /*分配存放物理页地址的数组*/ proc->pages = kzalloc(sizeof(proc->pages[0]) * ((vma->vm_end - vma->vm_start) / PAGE_SIZE), GFP_KERNEL); if (proc->pages == NULL) { ret = -ENOMEM; failure_string = "alloc page array"; goto err_alloc_pages_failed; } /*将虚拟地址空间的大小记录在proc的buffer_size中*/ proc->buffer_size = vma->vm_end - vma->vm_start; /* 安装vma线性空间操作函数：open，close，fault * open-> binder_vma_open: 简单的输出日志，pid，虚拟地址的起止、大小、标志位（vm_flags和vm_page_prot) * close -> binder_vma_close: 将proc的vma，vma_vm_mm设为NULL，并将proc加入到binder_deferred_workqueue队列， * binder驱动有一个单独的线程处理这个队列。 * fault -> binder_vam_fault: 直接返回VM_FAULT_SIGBUS, */ vma->vm_ops = &binder_vm_ops; /*在vma的vm_private_data字段里存入proc的引指针*/ vma->vm_private_data = proc; /* 先分配1个物理页，并将其分别映射到内核线性地址和用户态虚拟地址上，具体详见2 */ if (binder_update_page_range(proc, 1, proc->buffer, proc->buffer **+ PAGE_SIZE**, vma)) { ret = -ENOMEM; failure_string = "alloc small buf"; goto err_alloc_small_buf_failed; } /*成功分配了物理页并建立好的映射关系后，内核起始虚地址做为第一个binder_buffer的地址*/ buffer = proc->buffer; /*接着将内核虚拟内存链入proc的buffers和free_buffers链表中，free标志位设为1 INIT_LIST_HEAD(&proc->buffers); list_add(&buffer->entry, &proc->buffers); buffer->free = 1; binder_insert_free_buffer(proc, buffer); /*异步只能使用整个地址空间的一半*/ proc->free_async_space = proc->buffer_size / 2; barrier(); proc->files = get_files_struct(current); proc->vma = vma; proc->vma_vm_mm = vma->vm_mm;/*vma->vm_mm: vma对应的mm_struct,描述一个进程的虚拟地址空间，一个进程只有一个*/ /*pr_info("binder_mmap: %d %lx-%lx maps %p\n", proc->pid, vma->vm_start, vma->vm_end, proc->buffer);*/ return 0; /*出错处理*/err_alloc_small_buf_failed: kfree(proc->pages); proc->pages = NULL;err_alloc_pages_failed: mutex_lock(&binder_mmap_lock); vfree(proc->buffer); proc->buffer = NULL;err_get_vm_area_failed:err_already_mapped: mutex_unlock(&binder_mmap_lock);err_bad_arg: pr_err("binder_mmap: %d %lx-%lx %s failed %d\n", proc->pid, vma->vm_start, vma->vm_end, failure_string, ret); return ret;}打开binder后，需要调用mmap进行内存映射，该函数经过系统调用，会调用到binder驱动的binder_mmap函数。基本过程在上面的代码基本已经都注释了。几个需要注意的地方这里再说明一下：
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调用
get_vm_area获取内核态虚拟地址，地址是在32体系架构地址空间在： 3G+896M + 8M ～ 4G之间。proc中没有直接记录用户态的虚地址，而是存放一个用户态地址与内核态地址偏移量：proc->user_buffer_offset。 -
vma操作函数 ——vma->vm_ops, Binder实现了open,close和fault三个接口。open(binder_vma_open)的实现只是简单的输出一条进程id及vma地址及标志位相关信息的debug日志。close(binder_vma_close)除了输出一条类似open的日志信息外，还会将proc->vma和proc->vma_vm_mm置空，接着调用binder_deferred_work在binder_deferred_workqueue队列中放入一个BINDER_DEFERRED_PUT_FILES状态的work，在之后binder线程执行到该work时会将proc->files置空, 接着调用put_files_struct来释放进程所属的文件资源。fault(binder_vm_fault):简单的返回VM_FAULT_SIGBUS, 这个钩子是在访问的虚地址没有映射的物理页时（缺页）时，该函数被缺页处理程序调用，该函数负责返回物理页描述符，但因在binder中物理页框与虚拟地址的映射，在调用binder_alloc_buf分配binder_buffer时就已经建立好了，所以一般来说是不会发生缺页中断的。
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需要调用
binder_update_page_range分配一个页框的原因是：用于存放第一个binder_buffer，此时整个地址空间都在这个binder_buffer中管理， 但是随着地址空间被不断的分配和回收，会分裂成一系列的binder_buffer节点。
二 分配物理页框，建立地址映射 —— binder_update_page_range
static int binder_update_page_range(struct binder_proc *proc, int allocate, void *start, void *end, struct vm_area_struct *vma){ void *page_addr; unsigned long user_page_addr; struct page **page; struct mm_struct *mm; binder_debug(BINDER_DEBUG_BUFFER_ALLOC, "%d: %s pages %p-%p\n", proc->pid, allocate ? "allocate" : "free", start, end); if (end <= start) return 0; trace_binder_update_page_range(proc, allocate, start, end); if (vma) mm = NULL; /*binder_mmap的调用走这里*/ else /* 读取进程的内存描述符（mm_struct）, * 并增加内存描述符(mm_struct)中的mm_users用户计数，防止mm_struct被释放*/ mm = get_task_mm(proc->tsk); if (mm) { /*获取写锁*/ down_write(&mm->mmap_sem); vma = proc->vma; if (vma && mm != proc->vma_vm_mm) { pr_err("%d: vma mm and task mm mismatch\n", proc->pid); vma = NULL; } } /*本次调用是释放物理页，直接进入释放物理页框流程*/ if (allocate == 0) goto free_range; if (vma == NULL) { pr_err("%d: binder_alloc_buf failed to map pages in userspace, no vma\n", proc->pid); goto err_no_vma; } /* 开始循环分配物理页，并建立映射，每次循环分配1个页框*/ for (page_addr = start; page_addr < end; page_addr += PAGE_SIZE) { int ret; /* 确定页框所存放的数组的位置，按内核虚拟地址由小到大排列*/ page = &proc->pages[(page_addr - proc->buffer) / PAGE_SIZE]; BUG_ON(*page); /*分配页框*/ *page = **alloc_page**(GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM | __GFP_ZERO); if (*page == NULL) { pr_err("%d: binder_alloc_buf failed for page at %p\n", proc->pid, page_addr); goto err_alloc_page_failed; } /*将内核虚拟地址与该页框建立映射关系*/ ret = **map_kernel_range_noflush**((unsigned long)page_addr, PAGE_SIZE, PAGE_KERNEL, page); /* 将刚刚修改的内核页表项刷新到CPU高速缓存*/ **flush_cache_vmap**((unsigned long)page_addr, (unsigned long)page_addr + PAGE_SIZE); if (ret != 1) { pr_err("%d: binder_alloc_buf failed to map page at %p in kernel\n", proc->pid, page_addr); goto err_map_kernel_failed; } /*计算用户态虚地址*/ user_page_addr = (uintptr_t)page_addr + proc->user_buffer_offset; /*将用户虚拟地址与该页框建立映射关系*/ ret = vm_insert_page(vma, user_page_addr, page[0]); if (ret) { pr_err("%d: binder_alloc_buf failed to map page at %lx in userspace\n", proc->pid, user_page_addr); goto err_vm_insert_page_failed; } /* vm_insert_page does not seem to increment the refcount */ } if (mm) { /*释放写锁*/ up_write(&mm->mmap_sem); mmput(mm);/*减少内存描述符(mm_struct)中的mm_users用户计数*/ } /*分配物理页框流程到这里结束，接下去是释放物理页流程*/ return 0;/*释放物理页，解除地址映射*/free_range:/*由后往前解除用户态及内核态的物理页框映射，并释放物理页框*/ for (page_addr = end - PAGE_SIZE; page_addr >= start; page_addr -= PAGE_SIZE) { page = &proc->pages[(page_addr - proc->buffer) / PAGE_SIZE]; if (vma) /*解除用户态虚拟地址和物理页框的映射*/ zap_page_range(vma, (uintptr_t)page_addr + proc->user_buffer_offset, PAGE_SIZE, NULL);err_vm_insert_page_failed: /*解除内核态虚拟地址和物理页框的映射*/ unmap_kernel_range((unsigned long)page_addr, PAGE_SIZE);err_map_kernel_failed: __free_page(*page);/*释放物理页框*/ *page = NULL;err_alloc_page_failed: ; }err_no_vma: if (mm) { /*释放写锁*/ up_write(&mm->mmap_sem); mmput(mm);/*减少内存描述符中的mm_users用户计数*/ } return -ENOMEM;}-
binder_update_page_range同时负责分配和释放物理页框，具体是分配还是释放通过参数allocate控制，如果该参数为0，则表示要解除内核态和用户态对物理页框的地址映射，释放物理页框；否则就是申请物理页框，并建立内核态和用户态的地址映射。整个流程相对直观，关键代码都已经注释，理解起来应该不难。 -
参数
vma的类型是struct vm_area_struct是用户态虚拟地址空间描述。该参数为NULL表示binder_update_page_range在内核调用路径中，此时需尝试获取mm_struct并增加其引用计数，以防止进程的内存描述被释放，然后再在操作完成后减少它的引用计数(mmput)。
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