Linux drm_syncobj机制原理与应用方式_Linux

1. 概念

1.1 什么是 drm_syncobj

drm sync object（同步对象，简称 syncobj）是 linux drm（direct rendering manager）子系统中用于 gpu 命令同步的内核抽象。

syncobj 的设计初衷是为用户空间提供一种高效、灵活的 gpu 任务同步原语，主要用于显卡驱动和用户空间（如 vulkan、opencl、opengl 等）之间的同步需求。

syncobj 的核心作用是包装一个指向 dma_fence 结构体的指针（可能为 null），通过 ioctl 接口，用户空间可以创建、销毁、导入、导出、信号、重置、等待等操作 syncobj，从而实现 gpu 命令流的精细同步。

1.2 设计目标

跨进程/跨驱动共享：syncobj 可通过 fd 句柄在进程间传递，实现多进程/多驱动同步。
支持二元与时间线语义：既可作为简单的“signaled/unsignal”二元同步原语，也可作为时间线（timeline）同步原语，支持多点同步。
高效用户空间接口：通过一组 ioctl，用户空间可灵活操作 syncobj，满足 vulkan 等现代图形 api 的同步需求。

drm_syncobj是为用户空间设计的，因此内核自身不会使用该结构体，只有各家的gpu驱动才会使用。

1.3 主要数据结构

结构体名称	作用说明
struct drm_syncobj	同步对象的核心结构，包含 fence 指针、回调链表、事件链表、锁等。
struct dma_fence	底层同步原语，表示 gpu 命令完成的信号。
struct dma_fence_chain	时间线模式下的链式 fence，支持多点同步。
struct syncobj_wait_entry	用于等待的辅助结构。
struct syncobj_eventfd_entry	用于事件通知的辅助结构。

2. 原理分析

2.1 同步机制原理

2.1.1 二元同步对象

在二元模式下，syncobj 通过维护一个可替换的 fence 指针实现同步状态管理。

该设计充分利用了 dma_fence 的单向状态特性（不可逆的"已信号"状态，dma_fence的单向状态转换决定了的单个dma_fence是短命的），通过动态创建并替换 fence 对象实现状态重置。

信号操作：驱动创建新的已信号 dma_fence 替换原对象。
重置操作：驱动创建新的未信号 dma_fence 替换原对象。

2.1.2 时间线同步对象

时间线模式下，syncobj 维护一个 dma_fence_chain，每个链节点代表一个时间点（seqno）。
gpu 驱动可在任意时间点插入新的 fence，实现多点同步。
用户空间可针对任意时间点进行信号、等待、查询等操作。

2.1.3 等待机制

主机侧等待：通过 drm_ioctl_syncobj_wait 或 drm_ioctl_syncobj_timeline_wait，用户空间可等待一个或多个 syncobj 的 fence 被信号。支持等待全部或任意一个、超时、deadline、等待 fence 出现等多种模式。
事件通知：通过 eventfd 机制，用户空间可注册事件，当 syncobj 被信号时，eventfd 被唤醒，便于集成到事件循环。

2.1.4 导入/导出机制

fd 句柄导入/导出：syncobj 可导出为 fd，在进程间传递，所有 fd 共享同一个底层 syncobj。
sync_file 导入/导出：可将 syncobj 当前 fence 导出为 sync_file，或从 sync_file 导入 fence 到 syncobj。sync_file 是 linux 通用的同步文件描述符，便于与其他子系统（如 dma-buf）集成。

2.2 典型流程

用户空间通过 ioctl 创建 syncobj，获得 handle 或 fd。
gpu 驱动在提交命令时，将 fence 绑定到 syncobj。
a. 用户空间可通过 ioctl 等待 syncobj 被信号，或查询其状态。b. gpu执行完命令后，发中断，中断处理中singal syncobj。a和b两个过程是同时进行的，看哪个先完成。
syncobj 可在进程间传递，实现跨进程同步。
时间线模式下，用户空间和驱动可在任意时间点操作 syncobj，实现复杂同步场景。

这个典型使用流程是理解syncobj的关键，记住一点：syncobj是用户空间使用的。

3. 实现

syncobj 支持如下基本操作：

操作类型	说明
创建与销毁	分配和释放同步对象资源
信号与重置	设置同步对象为已完成或未完成状态
等待	阻塞或非阻塞地等待同步对象变为已完成状态
导入与导出	将同步对象的状态在进程间传递，实现跨进程同步
timeline 操作	部分驱动支持 timeline syncobj，可以表示多个时间点的同步状态

3.1 接口分类和功能

分类	主要接口/函数名	功能说明
创建与销毁	drm_syncobj_create	分配并初始化 syncobj，支持初始信号状态（signaled）
创建与销毁	drm_syncobj_destroy	释放 syncobj，清理所有引用和资源
导入与导出	drm_syncobj_get_handle / drm_syncobj_get_fd	将 syncobj 导出为 handle 或 fd
	drm_syncobj_handle_to_fd / drm_syncobj_fd_to_handle	fd 与 handle 互转，支持跨进程共享
	drm_syncobj_import_sync_file_fence / drm_syncobj_export_sync_file	与 sync_file 互操作，便于与 dma-buf 等子系统集成
信号与重置	drm_syncobj_replace_fence	替换 syncobj 的 fence，实现信号或重置
	drm_syncobj_assign_null_handle	分配一个已信号的 stub fence，实现“信号”操作
	drm_syncobj_signal_ioctl / drm_syncobj_reset_ioctl	用户空间 ioctl 接口，批量信号或重置 syncobj
时间线操作	drm_syncobj_add_point	在时间线 syncobj 上添加新的时间点（fence_chain）
	drm_syncobj_transfer_to_timeline / drm_syncobj_transfer_to_binary	在不同 syncobj 间转移时间点或 fence，实现复杂同步场景
	drm_syncobj_timeline_signal_ioctl	用户空间 ioctl，批量信号时间线上的多个点
	drm_syncobj_query_ioctl	查询时间线 syncobj 的状态，支持查询最后提交点或最后信号点
等待与事件通知	drm_syncobj_array_wait_timeout	核心等待实现，支持多种等待模式（全部、任意、超时、deadline等）
	drm_syncobj_eventfd_ioctl	注册 eventfd，当 syncobj 被信号时唤醒用户空间
	dma_fence_add_callback	fence 信号时的唤醒和事件通知回调机制
内存与引用管理	kref 引用计数机制	syncobj 通过引用计数管理生命周期，确保多进程/多 fd 安全
内存与引用管理	严格引用管理	所有导入/导出、等待、事件等操作均严格管理引用，防止资源泄漏

3.2 关键代码分析

这部分专门出一篇博文介绍，还在编写中....

4. 为什么设计 drm_syncobj

下面是 drm_syncobj 与 dma_resv、sync_file 的对比分析，并说明 drm_syncobj 的设计初衷和优势。

对比项	dma_resv(内核使用)	sync_file	drm_syncobj（设计初衷与优势）
主要用途	内核对象，管理 dma-buf 的同步（读/写 fence）	用户空间同步文件，导出/传递 fence	用户空间可管理的同步对象，专为 gpu/vulkan 设计
用户空间接口	无直接接口，驱动内部使用	通过 fd 传递，支持 epoll/select	丰富 ioctl 接口，支持创建、导入、导出、信号、等待
跨进程/驱动	仅限 dma-buf 相关驱动间	可跨进程传递，但只封装单个 fence	可跨进程/驱动共享，支持 timeline 多点同步
时间线支持	不支持，只有读/写二元 fence	不支持，单一 fence	支持 timeline fence_chain，满足 vulkan timeline
事件通知	无	支持 eventfd	支持 eventfd，且可针对 timeline 任意点
资源管理	内核自动管理	用户空间 fd 管理，生命周期与 fd 绑定	引用计数（kref），fd/handle均可安全管理
设计初衷	dma-buf 内核同步，面向驱动开发	通用 fence 导出/传递，面向用户空间	面向 gpu/vulkan 用户空间同步，灵活高效
典型应用场景	显存缓冲区同步，驱动内部	用户空间异步等待、跨进程同步	vulkan fence/semaphore、跨进程/驱动 gpu 协作

满足现代图形 api（如 vulkan）的同步需求：vulkan 需要 timeline semaphore、跨进程/驱动同步、事件通知等高级功能，dma_resv/sync_file 无法满足。
用户空间可控：drm_syncobj 提供丰富的 ioctl 接口，用户空间可灵活创建、管理、导入、导出、等待、信号同步对象。
支持 timeline fence：drm_syncobj 支持多点同步，适配 vulkan timeline semaphore，远超 sync_file 的单点能力。
跨进程/驱动协作：通过 fd/handle 机制，drm_syncobj 可在多进程、多驱动间安全共享和同步。
高效事件通知：集成 eventfd，便于用户空间异步编程和事件循环。

drm_syncobj 是为现代 gpu 用户空间同步场景量身定制的内核抽象，弥补了 dma_resv/sync_file 在灵活性、扩展性和用户空间接口上的不足。

用户态的应用接口封装在libdrm中，具体实现分析见：linux libdrm 中 drm_syncobj的实现原理。这两篇对照着看，基本上是一一对应。

总结

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持代码网。

Linux drm_syncobj机制原理与应用方式

2025年09月22日 • Linux •我要评论