android内存系统架构详解

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前言

内存也被成为内存储器，其作用是暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换数据。内存是计算机中重要的部件之一，是用户任务与CPU处理进行沟通的桥梁。CPU会把计算机运行中需要的数据放到内存中进行运算处理，并将运算完成后的结果传送出来。

android的进程通信机制

要想实现对android系统内存的优化，需要首先了解android的内存系统，了解内存控制进程运行的机制。

  • IPC机制介绍

    在android5.0系统中，每一个应用程序都是由一些Activity和Service组成的，一般Service运行在独立的进程中，而Activity可能运行在同一进程中，也有可能运行在不同的进程中，也有可能运行在不同的进程中。android系统通过Binder进程间通信机制来实现在不同进程的Activity或者Service之间的通信。

    其实Binder并不是android提出来的一套新的进程间通信机制，它是基于OpenBinder来实现的，Binder是一种进程间通信机制，android系统的Binder机制由如下系统组件组成。

    • Client
    • Server
    • Service Manager
    • Binder驱动程序

    其中，Client、Server和Service Manager在用户空间运行，Binder驱动程序在内核空间中运行。Binder就是一种把这4个组件“黏合”在一起的“黏合剂”。其中的核心组件便是Binder驱动程序，Service Manager提供了辅助管理的功能，Client和Server正是在Binder驱动和Service Manager提供的基础设施上实现Client/Server之间的通信。Service Manager和Binder驱动已经在android平台中实现完毕，开发者只需要按照规范实现自己的Client和Server组件即可。

    要深入理解Binder机制，必须了解Binder在用户空间的3个组件Client、Server和Service Manager之间的相互关系，并了解内核空间中Binder驱动程序的数据结构和设计原理。具体来说，android系统Binder机制中的4个组件Client、Server、Service Manager和Binder驱动程序的关系如下图所示。

    Client、Server、Service Manager和Binder驱动程序的关系

    • Client、Server和Service Manager：在用户空间中实现，Binder驱动程序在内核空间中实现。
    • Binder驱动程序和Service Manager：已经在android平台中实现，开发者只需要在用户空间实现自己的Client和Server即可。
    • Binder驱动程序提供的设备文件/dev/binder：负责与用户空间进行交互，Client、Server和Service Manager通过文件操作函数open()和ioctl()与Binder驱动程序进行通信。
    • Service Manager：是一个用来管理Server的保护进程，并向Client提供查询Server接口的能力。

  • Service Manager是Binder机制的上下文管理者

    Service Manager是整个Binder机制的保护进程，用来管理开发者创建的各种Server，并且向Client提供查询Server远程接口的功能。因为Service Manager组件的功能是用来管理Server并且向Client提供查询Server远程接口，所以Service Manager必然要和Server以及Client进行通信。Service Manager、Client和Server三者分别是运行在独立进程当中的，这样它们之间的通信也属于进程间的通信，而且也是采用Binder机制进行进程间通信。因此，Service Manager在充当Binder机制的保护进程角色的同时，也在充当Server的角色，是一种特殊的Server。

    Service Manager在Binder机制中的基本执行流程如下图所示。

    Service Manager在Binder机制中的基本执行流程

    下面简要总结Service Manager成为android进程间通信机制Binder保护进程的过程。

    • 打开/dev/binder文件。

      1
      open("/dev/binder", O_RDWR);

    • 建立128K内存映射。

      1
      mmap(NULL, mapsize, PROT_READ, MAP_PRIVATE, bs->fd, 0);

    • 通知Binder驱动程序它是保护进程。

      1
      binder_become_context_manager(bs);

    • 进入循环等待请求的到来。

      1
      binder_loop(bs, svcmgr_handler);

    在这个过程中，在Binder驱动程序中建立了一个struct binder_proc结构、一个struct binder_thread结构和一个struct binder_node结构，这样，Service Manager就在android系统的进程间通信机制Binder担负起保护进程的职责了。

匿名共享内存子系统

android系统提供了独特的匿名共享子系统Ashmem，以驱动程序的形式实现在内核空间中。

  • Ashmem系统基础

    在android5.0系统中，Ashmem具有如下两个特点。

    ① 能够辅助内存管理系统有效地管理不再使用的内存块。

    ② 通过Binder进程间通信机制来实现进程间的内存共享。

    对于android系统的匿名共享内存子系统来说，其主体是以驱动程序的形式实现在内核空间的，同时，在系统运行时库层和应用程序框架层提供了访问接口。其中在系统运行时库层提供了C/C++调用接口，而在应用程序框架层提供了Java调用接口。在此将直接通过应用程序框架层提供的Java调用接口来说明匿名共享内存子系统Ashmem的使用方法，毕竟在android开发应用程序时，是基于Java语言的。其实应用程序框架层的Java调用接口是通过JNI方法来调用系统运行时库层的C/C++调用接口，最后进入到内核空间的Ashmem驱动程序中的。

    android系统的匿名共享内存Ashmem驱动程序利用了Linux的共享内存子系统导出的接口来实现自己的功能。在android系统匿名共享内存系统中，其核心功能是实现创建（open）、映射（mmap）、读写（read/write）以及锁定和解锁。