Linux DMA-BUF 调试指南

简介

DMA-BUF 是 Linux 内核为解决一个核心问题而设计的基础设施：如何在不同设备驱动、子系统之间高效、安全地共享大量内存缓冲区。DMA-BUF 出现之前，每个需要共享内存的驱动（如图形驱动、视频编解码器、摄像头驱动等）都有自己私有的共享机制，这导致了大量的重复开发和兼容性问题。

以 drm_gem 举例，DMA-BUF 整体结构如下：

核心机制

DMA-BUF 框架通过提供一套标准的 API 和对象，将缓冲区的“所有权”和“使用权”分离，从而建立了一个统一的共享模型。

• 文件描述符抽象：DMA-BUF 将物理缓冲区与文件描述符（fd）绑定，通过 fd 实现跨进程/设备的共享传递。
• 角色分离架构：
  • Exporter（生产者）：负责分配内存并实现 dma_buf_ops 操作集，包括缓冲区映射（map_dma_buf）、缓存同步（begin_cpu_access）等接口。
  • Importer（消费者）：通过 dma_buf_attach 和 dma_buf_map_attachment 获取缓冲区的设备地址（如 IOVA），支持直接硬件访问。
• 同步机制：通过 dma-fence 和 dma-resv 实现异步操作同步，确保多设备访问时的数据一致性。

使用方法

内核配置

CONFIG_DMA_SHARED_BUFFER=y

导出者

 static struct dma_buf *jpu_exp_alloc(struct jpu_alloc_dma_buf *alloc_data)
  {
      // 计算所需页面数
      size = alloc_data->size;
      npages = PAGE_ALIGN(size) / PAGE_SIZE;

      // 分配数据结构
      data = kmalloc(sizeof(*data) + npages * sizeof(struct page *), GFP_KERNEL);

      // 分配物理页面
      for (i = 0; i < npages; i++) {
          data->pages[i] = alloc_page(GFP_KERNEL);
      }

      // 配置导出信息
      exp_info.ops = &jpu_dmabuf_ops;
      exp_info.size = npages * PAGE_SIZE;
      exp_info.priv = data;

      // 导出dma-buf
      dmabuf = dma_buf_export(&exp_info);
      return dmabuf;
  }

上述示例实现了 JPU 的内存分配逻辑，根据请求大小分配相应数量的物理页面。分配完成后，调用 dma_buf_export 将这些页面封装成 dma-buf 对象并导出给系统。

导入者

  static int get_addr_from_dmabuf(struct v2d_info *v2dinfo, 
                                 struct v2d_dma_buf_info *pInfo, 
                                 dma_addr_t *paddr)
  {
      // 附加dma-buf到设备
      pInfo->attach = dma_buf_attach(pInfo->dmabuf, dev);

      // 映射附件
      pInfo->sgtable = dma_buf_map_attachment_unlocked(pInfo->attach, DMA_BIDIRECTIONAL);

      if (sgt->nents == 1) {
          addr = sg_dma_address(sgt->sgl);  // 连续内存
      } else {
          // 多段内存使用IOMMU
          addr = V2D_TBU_BASE_VA + (dma_addr_t)(pInfo->tbu_id)*V2D_TBU_VA_STEP;
          size = v2d_iommu_map_sg(addr, sgt->sgl, sgt->orig_nents, flags);
      }

      *paddr = addr;
      return 0;
  }

V2D 接收一个 dma-buf，并将其“附加（attach）”到自己的设备上，然后“映射（map）”以获得可供其硬件访问的物理地址（或 IOMMU 地址）。

交互逻辑

dma-buf 的核心是通过一个文件描述符（fd）在不同驱动间实现“零拷贝”内存共享。

• 导出与传递: JPU（生产者）分配内存，并导出一个 fd 给用户程序。程序再将此 fd 传递给 V2D（消费者）。
• 导入与使用: V2D 使用该 fd 找到并映射（map）内存，以获取其硬件可直接访问的物理地址（或 IOMMU 生成的 IOVA），从而直接处理数据。
• 释放: 当 V2D 和用户程序都释放了对 fd 的引用后，JPU 会自动回调并释放最初分配的内存。

调试方法

/sys/kernel/dmabuf/buffers/

使用方法

开启 CONFIG_DMABUF_SYSFS_STATS 后，会在 /sys/kernel/dmabuf/buffers/ 创建接口。

• 每个子目录中包含两个文件：
  • exporter_name: 记录导出这个 dma-buf 的驱动名称（例如 dma-buf-heap 或 i915）。
  • size: 记录这个 dma-buf 的大小（以字节为单位）。
• 当 dma-buf 被销毁时，对应的目录也会被自动删除。

问题定位

• 可以通过观察 /sys/kernel/dmabuf/buffers/ 目录下的条目数量来确认是否存在 dma-buf 泄漏。
• 统计每个导出者分别创建了多少个 dma-buf，找出泄漏的源头。

/sys/kernel/debug/dma_buf/bufinfo

输出示例

size            flags           mode            count           exp_name        ino             name
08847360        00000002        00080007        00000003        drm                00000089        1769-gnome-shell
        write fence:drm_sched gfx seq 12146 signalled
        Attached Devices:
Total 0 devices attached

• size: 缓冲区的大小；
• flags: 文件描述符的标志（00000002 对应 O_RDWR，表示该缓冲区以读写模式打开）；
• mode: 文件的访问权限模式；
• count: 缓冲区的引用计数；
• exp_name: 导出该 DMA-BUF 的驱动名称；
• ino: 文件的 inode 号；
• name: 用户空间为该缓冲区设置的名称；
• write fence: ... signalled 表示一个写 fence，signalled 说明对应的异步操作（如 GPU 渲染）已完成；若长期未完成（unsignalled），可能存在 GPU hang。
• Attached Devices: 列出所有附加到该 DMA-BUF 的设备。示例中为 0。

问题定位

• 调试系统卡死或应用冻结：当显示缓冲区上的 write fence 长时间处于 unsignalled 状态，通常意味着 GPU hang。