]> git.kernelconcepts.de Git - karo-tx-linux.git/blob - Documentation/dma-buf-sharing.txt
Merge branch 'fix/rt5645' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/broonie...
[karo-tx-linux.git] / Documentation / dma-buf-sharing.txt
1                     DMA Buffer Sharing API Guide
2                     ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
3
4                             Sumit Semwal
5                 <sumit dot semwal at linaro dot org>
6                  <sumit dot semwal at ti dot com>
7
8 This document serves as a guide to device-driver writers on what is the dma-buf
9 buffer sharing API, how to use it for exporting and using shared buffers.
10
11 Any device driver which wishes to be a part of DMA buffer sharing, can do so as
12 either the 'exporter' of buffers, or the 'user' of buffers.
13
14 Say a driver A wants to use buffers created by driver B, then we call B as the
15 exporter, and A as buffer-user.
16
17 The exporter
18 - implements and manages operations[1] for the buffer
19 - allows other users to share the buffer by using dma_buf sharing APIs,
20 - manages the details of buffer allocation,
21 - decides about the actual backing storage where this allocation happens,
22 - takes care of any migration of scatterlist - for all (shared) users of this
23    buffer,
24
25 The buffer-user
26 - is one of (many) sharing users of the buffer.
27 - doesn't need to worry about how the buffer is allocated, or where.
28 - needs a mechanism to get access to the scatterlist that makes up this buffer
29    in memory, mapped into its own address space, so it can access the same area
30    of memory.
31
32 dma-buf operations for device dma only
33 --------------------------------------
34
35 The dma_buf buffer sharing API usage contains the following steps:
36
37 1. Exporter announces that it wishes to export a buffer
38 2. Userspace gets the file descriptor associated with the exported buffer, and
39    passes it around to potential buffer-users based on use case
40 3. Each buffer-user 'connects' itself to the buffer
41 4. When needed, buffer-user requests access to the buffer from exporter
42 5. When finished with its use, the buffer-user notifies end-of-DMA to exporter
43 6. when buffer-user is done using this buffer completely, it 'disconnects'
44    itself from the buffer.
45
46
47 1. Exporter's announcement of buffer export
48
49    The buffer exporter announces its wish to export a buffer. In this, it
50    connects its own private buffer data, provides implementation for operations
51    that can be performed on the exported dma_buf, and flags for the file
52    associated with this buffer. All these fields are filled in struct
53    dma_buf_export_info, defined via the DEFINE_DMA_BUF_EXPORT_INFO macro.
54
55    Interface:
56       DEFINE_DMA_BUF_EXPORT_INFO(exp_info)
57       struct dma_buf *dma_buf_export(struct dma_buf_export_info *exp_info)
58
59    If this succeeds, dma_buf_export allocates a dma_buf structure, and
60    returns a pointer to the same. It also associates an anonymous file with this
61    buffer, so it can be exported. On failure to allocate the dma_buf object,
62    it returns NULL.
63
64    'exp_name' in struct dma_buf_export_info is the name of exporter - to
65    facilitate information while debugging. It is set to KBUILD_MODNAME by
66    default, so exporters don't have to provide a specific name, if they don't
67    wish to.
68
69    DEFINE_DMA_BUF_EXPORT_INFO macro defines the struct dma_buf_export_info,
70    zeroes it out and pre-populates exp_name in it.
71
72
73 2. Userspace gets a handle to pass around to potential buffer-users
74
75    Userspace entity requests for a file-descriptor (fd) which is a handle to the
76    anonymous file associated with the buffer. It can then share the fd with other
77    drivers and/or processes.
78
79    Interface:
80       int dma_buf_fd(struct dma_buf *dmabuf, int flags)
81
82    This API installs an fd for the anonymous file associated with this buffer;
83    returns either 'fd', or error.
84
85 3. Each buffer-user 'connects' itself to the buffer
86
87    Each buffer-user now gets a reference to the buffer, using the fd passed to
88    it.
89
90    Interface:
91       struct dma_buf *dma_buf_get(int fd)
92
93    This API will return a reference to the dma_buf, and increment refcount for
94    it.
95
96    After this, the buffer-user needs to attach its device with the buffer, which
97    helps the exporter to know of device buffer constraints.
98
99    Interface:
100       struct dma_buf_attachment *dma_buf_attach(struct dma_buf *dmabuf,
101                                                 struct device *dev)
102
103    This API returns reference to an attachment structure, which is then used
104    for scatterlist operations. It will optionally call the 'attach' dma_buf
105    operation, if provided by the exporter.
106
107    The dma-buf sharing framework does the bookkeeping bits related to managing
108    the list of all attachments to a buffer.
109
110 Until this stage, the buffer-exporter has the option to choose not to actually
111 allocate the backing storage for this buffer, but wait for the first buffer-user
112 to request use of buffer for allocation.
113
114
115 4. When needed, buffer-user requests access to the buffer
116
117    Whenever a buffer-user wants to use the buffer for any DMA, it asks for
118    access to the buffer using dma_buf_map_attachment API. At least one attach to
119    the buffer must have happened before map_dma_buf can be called.
120
121    Interface:
122       struct sg_table * dma_buf_map_attachment(struct dma_buf_attachment *,
123                                          enum dma_data_direction);
124
125    This is a wrapper to dma_buf->ops->map_dma_buf operation, which hides the
126    "dma_buf->ops->" indirection from the users of this interface.
127
128    In struct dma_buf_ops, map_dma_buf is defined as
129       struct sg_table * (*map_dma_buf)(struct dma_buf_attachment *,
130                                                 enum dma_data_direction);
131
132    It is one of the buffer operations that must be implemented by the exporter.
133    It should return the sg_table containing scatterlist for this buffer, mapped
134    into caller's address space.
135
136    If this is being called for the first time, the exporter can now choose to
137    scan through the list of attachments for this buffer, collate the requirements
138    of the attached devices, and choose an appropriate backing storage for the
139    buffer.
140
141    Based on enum dma_data_direction, it might be possible to have multiple users
142    accessing at the same time (for reading, maybe), or any other kind of sharing
143    that the exporter might wish to make available to buffer-users.
144
145    map_dma_buf() operation can return -EINTR if it is interrupted by a signal.
146
147
148 5. When finished, the buffer-user notifies end-of-DMA to exporter
149
150    Once the DMA for the current buffer-user is over, it signals 'end-of-DMA' to
151    the exporter using the dma_buf_unmap_attachment API.
152
153    Interface:
154       void dma_buf_unmap_attachment(struct dma_buf_attachment *,
155                                     struct sg_table *);
156
157    This is a wrapper to dma_buf->ops->unmap_dma_buf() operation, which hides the
158    "dma_buf->ops->" indirection from the users of this interface.
159
160    In struct dma_buf_ops, unmap_dma_buf is defined as
161       void (*unmap_dma_buf)(struct dma_buf_attachment *,
162                             struct sg_table *,
163                             enum dma_data_direction);
164
165    unmap_dma_buf signifies the end-of-DMA for the attachment provided. Like
166    map_dma_buf, this API also must be implemented by the exporter.
167
168
169 6. when buffer-user is done using this buffer, it 'disconnects' itself from the
170    buffer.
171
172    After the buffer-user has no more interest in using this buffer, it should
173    disconnect itself from the buffer:
174
175    - it first detaches itself from the buffer.
176
177    Interface:
178       void dma_buf_detach(struct dma_buf *dmabuf,
179                           struct dma_buf_attachment *dmabuf_attach);
180
181    This API removes the attachment from the list in dmabuf, and optionally calls
182    dma_buf->ops->detach(), if provided by exporter, for any housekeeping bits.
183
184    - Then, the buffer-user returns the buffer reference to exporter.
185
186    Interface:
187      void dma_buf_put(struct dma_buf *dmabuf);
188
189    This API then reduces the refcount for this buffer.
190
191    If, as a result of this call, the refcount becomes 0, the 'release' file
192    operation related to this fd is called. It calls the dmabuf->ops->release()
193    operation in turn, and frees the memory allocated for dmabuf when exported.
194
195 NOTES:
196 - Importance of attach-detach and {map,unmap}_dma_buf operation pairs
197    The attach-detach calls allow the exporter to figure out backing-storage
198    constraints for the currently-interested devices. This allows preferential
199    allocation, and/or migration of pages across different types of storage
200    available, if possible.
201
202    Bracketing of DMA access with {map,unmap}_dma_buf operations is essential
203    to allow just-in-time backing of storage, and migration mid-way through a
204    use-case.
205
206 - Migration of backing storage if needed
207    If after
208    - at least one map_dma_buf has happened,
209    - and the backing storage has been allocated for this buffer,
210    another new buffer-user intends to attach itself to this buffer, it might
211    be allowed, if possible for the exporter.
212
213    In case it is allowed by the exporter:
214     if the new buffer-user has stricter 'backing-storage constraints', and the
215     exporter can handle these constraints, the exporter can just stall on the
216     map_dma_buf until all outstanding access is completed (as signalled by
217     unmap_dma_buf).
218     Once all users have finished accessing and have unmapped this buffer, the
219     exporter could potentially move the buffer to the stricter backing-storage,
220     and then allow further {map,unmap}_dma_buf operations from any buffer-user
221     from the migrated backing-storage.
222
223    If the exporter cannot fulfill the backing-storage constraints of the new
224    buffer-user device as requested, dma_buf_attach() would return an error to
225    denote non-compatibility of the new buffer-sharing request with the current
226    buffer.
227
228    If the exporter chooses not to allow an attach() operation once a
229    map_dma_buf() API has been called, it simply returns an error.
230
231 Kernel cpu access to a dma-buf buffer object
232 --------------------------------------------
233
234 The motivation to allow cpu access from the kernel to a dma-buf object from the
235 importers side are:
236 - fallback operations, e.g. if the devices is connected to a usb bus and the
237   kernel needs to shuffle the data around first before sending it away.
238 - full transparency for existing users on the importer side, i.e. userspace
239   should not notice the difference between a normal object from that subsystem
240   and an imported one backed by a dma-buf. This is really important for drm
241   opengl drivers that expect to still use all the existing upload/download
242   paths.
243
244 Access to a dma_buf from the kernel context involves three steps:
245
246 1. Prepare access, which invalidate any necessary caches and make the object
247    available for cpu access.
248 2. Access the object page-by-page with the dma_buf map apis
249 3. Finish access, which will flush any necessary cpu caches and free reserved
250    resources.
251
252 1. Prepare access
253
254    Before an importer can access a dma_buf object with the cpu from the kernel
255    context, it needs to notify the exporter of the access that is about to
256    happen.
257
258    Interface:
259       int dma_buf_begin_cpu_access(struct dma_buf *dmabuf,
260                                    size_t start, size_t len,
261                                    enum dma_data_direction direction)
262
263    This allows the exporter to ensure that the memory is actually available for
264    cpu access - the exporter might need to allocate or swap-in and pin the
265    backing storage. The exporter also needs to ensure that cpu access is
266    coherent for the given range and access direction. The range and access
267    direction can be used by the exporter to optimize the cache flushing, i.e.
268    access outside of the range or with a different direction (read instead of
269    write) might return stale or even bogus data (e.g. when the exporter needs to
270    copy the data to temporary storage).
271
272    This step might fail, e.g. in oom conditions.
273
274 2. Accessing the buffer
275
276    To support dma_buf objects residing in highmem cpu access is page-based using
277    an api similar to kmap. Accessing a dma_buf is done in aligned chunks of
278    PAGE_SIZE size. Before accessing a chunk it needs to be mapped, which returns
279    a pointer in kernel virtual address space. Afterwards the chunk needs to be
280    unmapped again. There is no limit on how often a given chunk can be mapped
281    and unmapped, i.e. the importer does not need to call begin_cpu_access again
282    before mapping the same chunk again.
283
284    Interfaces:
285       void *dma_buf_kmap(struct dma_buf *, unsigned long);
286       void dma_buf_kunmap(struct dma_buf *, unsigned long, void *);
287
288    There are also atomic variants of these interfaces. Like for kmap they
289    facilitate non-blocking fast-paths. Neither the importer nor the exporter (in
290    the callback) is allowed to block when using these.
291
292    Interfaces:
293       void *dma_buf_kmap_atomic(struct dma_buf *, unsigned long);
294       void dma_buf_kunmap_atomic(struct dma_buf *, unsigned long, void *);
295
296    For importers all the restrictions of using kmap apply, like the limited
297    supply of kmap_atomic slots. Hence an importer shall only hold onto at most 2
298    atomic dma_buf kmaps at the same time (in any given process context).
299
300    dma_buf kmap calls outside of the range specified in begin_cpu_access are
301    undefined. If the range is not PAGE_SIZE aligned, kmap needs to succeed on
302    the partial chunks at the beginning and end but may return stale or bogus
303    data outside of the range (in these partial chunks).
304
305    Note that these calls need to always succeed. The exporter needs to complete
306    any preparations that might fail in begin_cpu_access.
307
308    For some cases the overhead of kmap can be too high, a vmap interface
309    is introduced. This interface should be used very carefully, as vmalloc
310    space is a limited resources on many architectures.
311
312    Interfaces:
313       void *dma_buf_vmap(struct dma_buf *dmabuf)
314       void dma_buf_vunmap(struct dma_buf *dmabuf, void *vaddr)
315
316    The vmap call can fail if there is no vmap support in the exporter, or if it
317    runs out of vmalloc space. Fallback to kmap should be implemented. Note that
318    the dma-buf layer keeps a reference count for all vmap access and calls down
319    into the exporter's vmap function only when no vmapping exists, and only
320    unmaps it once. Protection against concurrent vmap/vunmap calls is provided
321    by taking the dma_buf->lock mutex.
322
323 3. Finish access
324
325    When the importer is done accessing the range specified in begin_cpu_access,
326    it needs to announce this to the exporter (to facilitate cache flushing and
327    unpinning of any pinned resources). The result of any dma_buf kmap calls
328    after end_cpu_access is undefined.
329
330    Interface:
331       void dma_buf_end_cpu_access(struct dma_buf *dma_buf,
332                                   size_t start, size_t len,
333                                   enum dma_data_direction dir);
334
335
336 Direct Userspace Access/mmap Support
337 ------------------------------------
338
339 Being able to mmap an export dma-buf buffer object has 2 main use-cases:
340 - CPU fallback processing in a pipeline and
341 - supporting existing mmap interfaces in importers.
342
343 1. CPU fallback processing in a pipeline
344
345    In many processing pipelines it is sometimes required that the cpu can access
346    the data in a dma-buf (e.g. for thumbnail creation, snapshots, ...). To avoid
347    the need to handle this specially in userspace frameworks for buffer sharing
348    it's ideal if the dma_buf fd itself can be used to access the backing storage
349    from userspace using mmap.
350
351    Furthermore Android's ION framework already supports this (and is otherwise
352    rather similar to dma-buf from a userspace consumer side with using fds as
353    handles, too). So it's beneficial to support this in a similar fashion on
354    dma-buf to have a good transition path for existing Android userspace.
355
356    No special interfaces, userspace simply calls mmap on the dma-buf fd.
357
358 2. Supporting existing mmap interfaces in importers
359
360    Similar to the motivation for kernel cpu access it is again important that
361    the userspace code of a given importing subsystem can use the same interfaces
362    with a imported dma-buf buffer object as with a native buffer object. This is
363    especially important for drm where the userspace part of contemporary OpenGL,
364    X, and other drivers is huge, and reworking them to use a different way to
365    mmap a buffer rather invasive.
366
367    The assumption in the current dma-buf interfaces is that redirecting the
368    initial mmap is all that's needed. A survey of some of the existing
369    subsystems shows that no driver seems to do any nefarious thing like syncing
370    up with outstanding asynchronous processing on the device or allocating
371    special resources at fault time. So hopefully this is good enough, since
372    adding interfaces to intercept pagefaults and allow pte shootdowns would
373    increase the complexity quite a bit.
374
375    Interface:
376       int dma_buf_mmap(struct dma_buf *, struct vm_area_struct *,
377                        unsigned long);
378
379    If the importing subsystem simply provides a special-purpose mmap call to set
380    up a mapping in userspace, calling do_mmap with dma_buf->file will equally
381    achieve that for a dma-buf object.
382
383 3. Implementation notes for exporters
384
385    Because dma-buf buffers have invariant size over their lifetime, the dma-buf
386    core checks whether a vma is too large and rejects such mappings. The
387    exporter hence does not need to duplicate this check.
388
389    Because existing importing subsystems might presume coherent mappings for
390    userspace, the exporter needs to set up a coherent mapping. If that's not
391    possible, it needs to fake coherency by manually shooting down ptes when
392    leaving the cpu domain and flushing caches at fault time. Note that all the
393    dma_buf files share the same anon inode, hence the exporter needs to replace
394    the dma_buf file stored in vma->vm_file with it's own if pte shootdown is
395    required. This is because the kernel uses the underlying inode's address_space
396    for vma tracking (and hence pte tracking at shootdown time with
397    unmap_mapping_range).
398
399    If the above shootdown dance turns out to be too expensive in certain
400    scenarios, we can extend dma-buf with a more explicit cache tracking scheme
401    for userspace mappings. But the current assumption is that using mmap is
402    always a slower path, so some inefficiencies should be acceptable.
403
404    Exporters that shoot down mappings (for any reasons) shall not do any
405    synchronization at fault time with outstanding device operations.
406    Synchronization is an orthogonal issue to sharing the backing storage of a
407    buffer and hence should not be handled by dma-buf itself. This is explicitly
408    mentioned here because many people seem to want something like this, but if
409    different exporters handle this differently, buffer sharing can fail in
410    interesting ways depending upong the exporter (if userspace starts depending
411    upon this implicit synchronization).
412
413 Other Interfaces Exposed to Userspace on the dma-buf FD
414 ------------------------------------------------------
415
416 - Since kernel 3.12 the dma-buf FD supports the llseek system call, but only
417   with offset=0 and whence=SEEK_END|SEEK_SET. SEEK_SET is supported to allow
418   the usual size discover pattern size = SEEK_END(0); SEEK_SET(0). Every other
419   llseek operation will report -EINVAL.
420
421   If llseek on dma-buf FDs isn't support the kernel will report -ESPIPE for all
422   cases. Userspace can use this to detect support for discovering the dma-buf
423   size using llseek.
424
425 Miscellaneous notes
426 -------------------
427
428 - Any exporters or users of the dma-buf buffer sharing framework must have
429   a 'select DMA_SHARED_BUFFER' in their respective Kconfigs.
430
431 - In order to avoid fd leaks on exec, the FD_CLOEXEC flag must be set
432   on the file descriptor.  This is not just a resource leak, but a
433   potential security hole.  It could give the newly exec'd application
434   access to buffers, via the leaked fd, to which it should otherwise
435   not be permitted access.
436
437   The problem with doing this via a separate fcntl() call, versus doing it
438   atomically when the fd is created, is that this is inherently racy in a
439   multi-threaded app[3].  The issue is made worse when it is library code
440   opening/creating the file descriptor, as the application may not even be
441   aware of the fd's.
442
443   To avoid this problem, userspace must have a way to request O_CLOEXEC
444   flag be set when the dma-buf fd is created.  So any API provided by
445   the exporting driver to create a dmabuf fd must provide a way to let
446   userspace control setting of O_CLOEXEC flag passed in to dma_buf_fd().
447
448 - If an exporter needs to manually flush caches and hence needs to fake
449   coherency for mmap support, it needs to be able to zap all the ptes pointing
450   at the backing storage. Now linux mm needs a struct address_space associated
451   with the struct file stored in vma->vm_file to do that with the function
452   unmap_mapping_range. But the dma_buf framework only backs every dma_buf fd
453   with the anon_file struct file, i.e. all dma_bufs share the same file.
454
455   Hence exporters need to setup their own file (and address_space) association
456   by setting vma->vm_file and adjusting vma->vm_pgoff in the dma_buf mmap
457   callback. In the specific case of a gem driver the exporter could use the
458   shmem file already provided by gem (and set vm_pgoff = 0). Exporters can then
459   zap ptes by unmapping the corresponding range of the struct address_space
460   associated with their own file.
461
462 References:
463 [1] struct dma_buf_ops in include/linux/dma-buf.h
464 [2] All interfaces mentioned above defined in include/linux/dma-buf.h
465 [3] https://lwn.net/Articles/236486/