Binder - 内核驱动层源码浅析

binder驱动.png

在线内核层代码：http://androidxref.com/kernel_3.18/xref/

1.binder_init

驱动启动时会先调用驱动的binder_init()：主要负责注册misc设备，通过调用misc_register来实现

//资源路径: /drivers/staging/android/binder.c
static int __init binder_init(void)
{
  int ret;
  //创建名为binder的单线程工作队列
  binder_deferred_workqueue = create_singlethread_workqueue("binder");
  //...
  //注册misc设备
  ret = misc_register(&binder_miscdev);
  return ret
}
static struct miscdevice binder_miscdev = {
  //次设备号 动态分配
  .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
  //设备名 binder
  .name = "binder",
  //设备的文件操作结构，file_operations结构
  .fops = &binder_fops
};
//Native层调用驱动层需要通过系统调用(syscall)，下面是Native层与驱动层的映射关系
static const struct file_operations binder_fops = {
  .owner = THIS_MODULE,
  .poll = binder_poll,
  .unlocked_ioctl = binder_ioctl,
  .compat_ioctl = binder_ioctl,
  //如Native层调用mmap会调到驱动层的binder_mmap
  .mmap = binder_mmap,
  .open = binder_open,
  .flush = binder_flush,
  .release = binder_release,
};

2.binder_open

打开驱动会调用binder_open()：创建binder_proc对象，并把当前进程等信息保存到binder_proc对象，再将binder_proc对象保存到文件指针filp，以及把binder_proc添加到全局链表binder_procs中。

//资源路径：/drivers/staging/android/binder.c
static int binder_open(struct inode *nodp, struct file *filp)
{
  //当前binder进程结构体
  struct binder_proc *proc;
  //为binder_proc结构体在内核申请内存空间
  proc = kzalloc(sizeof(*proc), GFP_KERNEL);
  //current代表当前线程
  get_task_struct(current);
  //将当前线程的task保存到binder进程的tsk
  proc->tsk = current;
  //初始化todo列表
  INIT_LIST_HEAD(&proc->todo);
  //初始化wait队列
  init_waitqueue_head(&proc->wait);
  //将当前进程的nice值转换为进程优先级
  proc->default_priority = task_nice(current);
  
  //同步锁，因为binder支持多线程访问
  binder_lock(__func__);

  //binder_proc对象创建数加1
  binder_stats_created(BINDER_STAT_PROC);
  //将pro_node节点添加到binder_procs的队列头部
  hlist_add_head(&proc->proc_node, &binder_procs);
  //记录当前进程的pid
  proc->pid = current->group_leader->pid;
  //初始化已分发的死亡通知列表
  INIT_LIST_HEAD(&proc->delivered_death);
  //将binder_proc存放在filp的private_data域，以便在之后的mmap、ioctl中获取
  filp->private_data = proc;

  //释放同步锁
  binder_unlock(__func__);
  
  return 0;
}

3.binder_mmap

1.通过用户空间的虚拟内存大小，分配一块内核的虚拟内存
2.分配一块物理内存（4KB）
3.把这块物理内存分别映射到用户空间的虚拟内存和内核的虚拟内存

//资源路径：/drivers/staging/android/binder.c
static int binder_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
  int ret;
  //内核的虚拟内存
  struct vm_struct *area;
  //从filp中取binder_proc（binder_open方法中保存的）
  struct binder_proc *proc = filp->private_data;
    //保证映射内存大小不超过4M
  if ((vma->vm_end - vma->vm_start) > SZ_4M)
    vma->vm_end = vma->vm_start + SZ_4M;
  
  //同步锁，保证一次只有一个进程分配内存
  mutex_lock(&binder_mmap_lock);
  //判断是否映射过
  if (proc->buffer) {       
    ret = -EBUSY;
    failure_string = "already mapped";
    goto err_already_mapped;
  }
    //采用VM_IOREMAP方式，分配一个连续的内核虚拟内存，与进程虚拟内存大小一致
  area = get_vm_area(vma->vm_end - vma->vm_start, VM_IOREMAP);
  //判断是否分配成功
  if (area == NULL) {
    ret = -ENOMEM;
    failure_string = "get_vm_area";
    goto err_get_vm_area_failed;
  }
  //将proc中的buffer指针指向这块内核的虚拟内存
  proc->buffer = area->addr;
  //计算用户空间和内核空间的地址偏移量
  proc->user_buffer_offset = vma->vm_start - (uintptr_t)proc->buffer;
    //释放同步锁
  mutex_unlock(&binder_mmap_lock);
  //分配物理页的指针数组，大小为vma的等效page个数
  proc->pages = kzalloc(sizeof(proc->pages[0]) * ((vma->vm_end - vma->vm_start) / PAGE_SIZE), GFP_KERNEL);
  
  //分配物理页面，同时映射到内核空间和进程空间，先分配1个物理页（4KB）,真正数据传输的时候再添加，免得内存浪费。
  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;
  }
  //binder_buffer对象指向proc的buffer地址 
  buffer = proc->buffer;
  //创建进程的buffers链表头
  INIT_LIST_HEAD(&proc->buffers);
  //将binder_buffer地址加入所属进程的buffers队列
  list_add(&buffer->entry, &proc->buffers);
  //上面通过binder_update_page_range已经做了映射，此内存可用
  buffer->free = 1;
  //将空闲的buffer放入proc->free_buffers链表中
  binder_insert_free_buffer(proc, buffer);
  //异步传输的可用空闲空间大小为buffer总大小的一半
  proc->free_async_space = proc->buffer_size / 2;
  //...
  return 0;
}


static int binder_update_page_range(struct binder_proc *proc, int                       allocate,void *start, void *end,struct vm_area_struct *vma)
{
  //上面allocate为1，代表分配内存。如果是1表示释放内存
  if (allocate == 0)
        goto free_range;
  for (page_addr = start; page_addr < end; page_addr += PAGE_SIZE) {
        int ret;
    //①分配一个page的物理内存
    *page = alloc_page(GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM | __GFP_ZERO);
    //②内核空间的虚拟内存映射到物理空间
    ret = map_vm_area(&tmp_area, PAGE_KERNEL, page);
    //用户空间地址=内核空间地址+偏移量
    user_page_addr =(uintptr_t)page_addr + proc->user_buffer_offset;
    //③用户空间的虚拟内存映射到物理内存
    ret = vm_insert_page(vma, user_page_addr, page[0]);
  }
}

4.binder_ioctl

binder_ioctl承载了Binder数据传输部分的主要业务，有两个核心方法 binder_thread_write 和 binder_thread_read

//资源路径：/drivers/staging/android/binder.c
static long binder_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
  //进入休眠状态，直到中断唤醒
  ret = wait_event_interruptible(binder_user_error_wait, binder_stop_on_user_error < 2);
  binder_lock(__func__);
  //获取binder_thread
  thread = binder_get_thread(proc);
  //
  switch (cmd) {
    //binder读写操作
    case BINDER_WRITE_READ:
      ret = binder_ioctl_write_read(filp, cmd, arg, thread);
      if (ret)
        goto err;
      break;
      //...
  }
}


static int binder_ioctl_write_read(struct file *filp,
                                   unsigned int cmd, unsigned long arg,
                                   struct binder_thread *thread)
{
  int ret=0
  //把用户空间数据ubuf拷贝到bwr
  if (copy_from_user(&bwr, ubuf, sizeof(bwr))) {
    ret = -EFAULT;
    goto out;
  }
  //当写缓存中有数据，则执行binder写操作
  if (bwr.write_size > 0) {
    ret = binder_thread_write(proc, thread,
                              bwr.write_buffer,
                              bwr.write_size,
                              &bwr.write_consumed);
    trace_binder_write_done(ret);
    if (ret < 0) {
      bwr.read_consumed = 0;
      if (copy_to_user(ubuf, &bwr, sizeof(bwr)))
        ret = -EFAULT;
      goto out;
    }
  }
  //当读缓存中有数据，则执行binder读操作
  if (bwr.read_size > 0) {
    ret = binder_thread_read(proc, thread, bwr.read_buffer,
                             bwr.read_size,
                             &bwr.read_consumed,
                             filp->f_flags & O_NONBLOCK);
    trace_binder_read_done(ret);
    if (!list_empty(&proc->todo))
      //唤醒等待状态的线程
      wake_up_interruptible(&proc->wait);
    //读失败，再将bwr数据写回用户空间，并返回
    if (ret < 0) {
      if (copy_to_user(ubuf, &bwr, sizeof(bwr)))
        ret = -EFAULT;
      goto out;
    }
  }
  //将内核数据bwr拷贝到用户空间ubuf
  if (copy_to_user(ubuf, &bwr, sizeof(bwr))) {
    ret = -EFAULT;
    goto out;
  }
  out:
  return ret;
}