IPC机制 Binder

引言

BinderAndroid系统中最重要的特性之一。正如其名“粘合剂”,它是粘合系统间各个组件的桥梁,Android系统的开放式设计也很大程度上得益于这种跨进程的通信机制。

理解Binder对于理解整个Android系统有着非常重要的作用,Android系统的四大组件,AMS,PMS等系统服务无一不与Binder挂钩;如果对Binder不甚了解,那么就很难了解这些系统机制,从而仅仅浮游与表面,不懂Binder你都不好意思说自己会Android开发;要深入AndroidBinder是必须迈出的一步。

但是,Binder机制终究不是三言两语就能解释清楚的,一上来就扒出源码很可能深陷细节无法自拔,如果看不懂强行看很容易睡着;勉强看完还是云里雾里;相反如果直接大谈特谈Binder的设计,那么完全就是不知所云。对于初学者并不友好,本文不会深入源码细节,也不会对于Binder的设计高谈阔论。如果你已经对Binder机制有了一定的了解,但是又想深入了解,我建议你可以先看一下如下倆篇,个人理解是网络资料讲述的最好的,最后您可以在查看一下源代码,最终定有收获。

1. Android Bander设计与实现 – 设计篇
2. Android进程间通信(IPC)机制Binder简要介绍和学习计划

而本篇的重点大致可以分为如下几点。










IPC机制Binder简要 掌握Linux的进程通信基础知识 Android 为什么选用IBC Bander机制做进程通信? Binder到底是什么? Binder机制是如何跨进程的? 深入理解Java层的Binder 总结

一:掌握Linux的进程通信基础知识

我们知道由于Android系统基于Linux内核,因此有必要了解相关知识。

1.1:进程隔离

进程隔离是为保护操作系统中进程互不干扰而设计的一组不同硬件和软件的技术。这个技术是为了避免进程A写入进程B的情况发生。 进程的隔离实现,使用了虚拟地址空间。进程A的虚拟地址和进程B的虚拟地址不同,这样就防止进程A将数据信息写入进程B。

1.2:用户空间/内核空间

Linux Kernel是操作系统的核心,独立于普通的应用程序,可以访问受保护的内存空间,也有访问底层硬件设备的所有权限。

对于Kernel这么一个高安全级别的东西,显然是不容许其它的应用程序随便调用或访问的,所以需要对Kernel提供一定的保护机制,这个保护机制用来告诉那些应用程序,你只可以访问某些许可的资源,不许可的资源是拒绝被访问的,于是就把Kernel和上层的应用程序抽像的隔离开,分别称之为Kernel SpaceUser Space

1.3:系统调用/内核态/用户态

虽然从逻辑上抽离出用户空间和内核空间;但是不可避免的的是,总有那么一些用户空间需要访问内核的资源;比如应用程序访问文件,网络等都是是很常见的事情,怎么办呢?

用户空间访问内核空间的唯一方式就是系统调用;通过这个统一入口接口,所有的资源访问都是在内核的控制下执行,以免导致对用户程序对系统资源的越权访问,从而保障了系统的安全和稳定。用户软件良莠不齐,要是它们乱搞把系统玩坏了怎么办?因此对于某些特权操作必须交给安全可靠的内核来执行。

当一个任务(进程)执行系统调用而陷入内核代码中执行时,我们就称进程处于内核运行态(或简称为内核态)此时处理器处于特权级最高的(0级)内核代码中执行。当进程在执行用户自己的代码时,则称其处于用户运行态(用户态)。即此时处理器在特权级最低的(3级)用户代码中运行。处理器在特权等级高的时候才能执行那些特权CPU指令。

1.4:内核模块/驱动

通过系统调用,用户空间可以访问内核空间,那么如果一个用户空间想与另外一个用户空间进行通信怎么办呢?很自然想到的是让操作系统内核添加支持;传统的Linux通信机制,比如Socket,管道等都是内核支持的;但是Binder并不是Linux内核的一部分,它是怎么做到访问内核空间的呢?Linux的动态可加载内核模块(Loadable Kernel Module,LKM)机制解决了这个问题;模块是具有独立功能的程序,它可以被单独编译,但不能独立运行。它在运行时被链接到内核作为内核的一部分在内核空间运行。这样,Android系统可以通过添加一个内核模块运行在内核空间,用户进程之间的通过这个模块作为桥梁,就可以完成通信了。

注意:

在Android系统中,这个运行在内核空间的,负责各个用户进程通过Binder通信的内核模块叫做Binder驱动。驱动程序一般指的是设备驱动程序(Device Driver),是一种可以使计算机和设备通信的特殊程序。相当于硬件的接口,操作系统只有通过这个接口,才能控制硬件设备的工作。换句话说,驱动就是操作硬件的接口,为了支持Binder通信过程,Binder使用了一种“硬件”,因此这个模块被称之为驱动。

二:Android 为什么选用IBC Bander机制做进程通信?

2.1:为什么选用IBC Bander机制做进程通信?

基于Client-Server的通信方式广泛应用于从互联网和数据库访问到嵌入式手持设备内部通信等各个领域。智能手机平台特别是Android系统中,为了向应用开发者提供丰富多样的功能,这种通信方式更是无处不在,诸如媒体播放,视音频频捕获,到各种让手机更智能的传感器(加速度,方位,温度,光亮度等)都由不同的Server负责管理,应用程序只需做为Client与这些Server建立连接便可以使用这些服务,花很少的时间和精力就能开发出令人眩目的功能。Client-Server方式的广泛采用对进程间通信(IPC)机制是一个挑战。目前linux支持的IPC包括传统的管道,System V IPC,即消息队列/共享内存/信号量,以及socket中只有socket支持Client-Server的通信方式。当然也可以在这些底层机制上架设一套协议来实现Client-Server通信,但这样增加了系统的复杂性,在手机这种条件复杂,资源稀缺的环境下可靠性也难以保证。

通过上面知识点的认识,你是否会提出疑问,既然Android本身就是基于Linux的。那么Android为何不使用Linux内核拥有的非常多的跨进程通信机制了?,比如管道,System V,Socket等;为什么还需要单独搞一个Binder出来呢?我想主要还是要从如下四个角度来考虑。

1. 传输性能角度

在移动设备上,广泛地使用跨进程通信肯定对通信机制本身提出了严格的要求。socket作为一款通用接口,其传输效率低,开销大,主要用在跨网络的进程间通信和本机上进程间的低速通信。消息队列和管道采用存储-转发方式,即数据先从发送方缓存区拷贝到内核开辟的缓存区中,然后再从内核缓存区拷贝到接收方缓存区,至少有两次拷贝过程。共享内存虽然无需拷贝,但控制复杂,难以使用。Binder相对出传统的Socket方式,更加高效。高效体现在如下几点,看下表:

IPC数据拷贝次数
内存0
Binder1
Socket/管道/消息队列2

看了上表你可能会好奇,既然内存拷贝次数为0,为什么不使用内存,反而还是采用了Binder机制,反而拷贝一次啦?以及为什么Binder机制要拷贝一次了?或者说为什么不想socket一样采用多次了?主要是因为共享内存控制复杂,难以使用,所以Android并没有采用;而Binder拷贝一次的原因是:每次单向通信拷贝次数为 1,server用户空间和内核空间通过内存映射可以直接交互。

注意:

Binder对数据传输大小也是有限制的。内核4M,上层限制1m-8k(这也是为什么Activity之间传输BitMap,如果传输Bitmap过大,就会崩溃的原因)

2. 安全角度

Android作为一个开放式,拥有众多开发者的的平台,应用程序的来源广泛,确保智能终端的安全是非常重要的。终端用户不希望从网上下载的程序在不知情的情况下偷窥隐私数据,连接无线网络,长期操作底层设备导致电池很快耗尽等等。

首先,传统IPC没有任何安全措施,完全依赖上层协议来确保。对于通信双方的身份并没有做出严格的验证,只有在上层协议上进行架设;比如Socket通信ip地址是客户端手动填入的,都可以进行伪造;而Binder机制从协议本身就支持对通信双方做身份校检,因而大大提升了安全性。这个也是Android权限模型的基础。

l另外,传统IPC的接收方无法获得对方进程可靠的UID/PID(用户ID/进程ID),从而无法鉴别对方身份。Android为每个安装好的应用程序分配了自己的UID,故进程的UID是鉴别进程身份的重要标志。使用传统IPC只能由用户在数据包里填入UID/PID,但这样不可靠,容易被恶意程序利用。可靠的身份标记只有由IPC机制本身在内核中添加。其次传统IPC访问接入点是开放的,无法建立私有通道。比如命名管道的名称,system V的键值,socket的ip地址或文件名都是开放的,只要知道这些接入点的程序都可以和对端建立连接,不管怎样都无法阻止恶意程序通过猜测接收方地址获得连接。

3. 语言层面的角度

支持Java/c/c++。

4. 从公司战略的角度
Linux是GPL协议,Android将GPL限定在Kernel层,上层使用Apache协议

三:Binder到底是什么?

Binder到底是什么我们可以先从Binder的通信模型先认识。

3.1:Binder的通信模型

对于跨进程通信的双方,我们姑且叫做Server进程(简称Server),Client进程(简称Client);由于进程隔离的存在,它们之间没办法通过简单的方式进行通信,那么Binder机制是如何进行的呢?

回想一下日常生活中我们通信的过程:假设A和B要进行通信,通信的媒介是打电话(A是Client,B是Server);A要给B打电话,必须知道B的号码,这个号码怎么获取呢?当然是从通信录获取。这个通信录就是一张表,存放了你所有的联系人信息。大致如下表:

联系人姓名联系方式
A123456789
B123459876
C54321789
D543219876
张三17666547894

先查阅通信录,拿到B的号码;才能进行通信;否则,怎么知道应该拨什么号码?回想一下古老的电话机,如果A要给B打电话,必须先连接通话中心,说明给我接通B的电话;这时候通话中心帮他呼叫B;连接建立,就完成了通信。

另外,光有电话和通信录是不可能完成通信的,没有基站支持;信息根本无法传达。

我们看到,一次电话通信的过程除了通信的双方还有两个隐藏角色:通信录和基站。Binder通信机制也是一样:两个运行在用户空间的进程要完成通信,必须借助内核的帮助,这个运行在内核里面的程序叫做Binder驱动,它的功能类似于基站;通信录呢,就是一个叫做ServiceManager的东西(简称SM).

Binder的通信模型如下图所示:
《IPC机制 Binder》

结合上图还有我们刚才举的通话的列子梳理一下通信步骤:

1. SM建立(建立通信录);首先有一个进程向驱动提出申请为SM;驱动同意之后,SM进程负责管理Service(注意这里是Service而不是Server,因为如果通信过程反过来的话,那么原来的客户端Client也会成为服务端Server)不过这时候通信录还是空的,一个号码都没有。

2. 各个Server向SM注册(完善通信录);每个Server端进程启动之后,向SM报告,我是zhangsan, 要找我请返回0x1234(这个地址没有实际意义,类比);其他Server进程依次如此;这样SM就建立了一张表,对应着各个Server的名字和地址;就好比B与A见面了,说存个我的号码吧,以后找我拨打10086。

3. Client想要与Server通信,首先询问SM;请告诉我如何联系zhangsan,SM收到后给他一个号码0x1234;Client收到之后,开心滴用这个号码拨通了Server的电话,于是就开始通信了。

那么Binder驱动干什么去了呢?这里Client与SM的通信,以及Client与Server的通信,都会经过驱动,驱动在背后默默无闻,但是做着最重要的工作。驱动是整个通信过程的核心,因此完成跨进程通信的秘密全部隐藏在驱动里面;这个我们稍后讨论。

好了,上面就是整个Binder通信的基本模型;做了一个简单的类比,当然也有一些不恰当的地方,(比如通信录现实中每个人都有一个,但是SM整个系统只有一个;基站也有很多个,但是驱动只有一个);但是整体上就是这样的;我们看到其实整个通信模型非常简单。简单划分一下职能关系如下:

  • Binder框架定义了四个角色:Server,Client,ServiceManager(以后简称SM)以及Binder驱动
  • Server,Client,SM运行于用户空间,驱动运行于内核空间
  • 这四个角色的关系就像我们上述通话列子,如果你还不是懂也可以这样认为,这样可能更容易理解(网上有人这样类比如这四者关系),这四个角色的关系和互联网类似:Server是服务器,Client是客户终端,SM是域名服务器(DNS),驱动是路由器。客户端Client要访问服务器端Server,客户端只要知道远程域名服务器(SM),输入域名,经过驱动是路由器就能完成一次请求和数据的回传。

3.2:Binder到底是什么?

Binder的设计采用了面向对象的思想,在Binder通信模型的四个角色里面;他们的代表都是“Binder”,这样,对于Binder通信的使用者而言,Server里面的Binder和Client里面的Binder没有什么不同,一个Binder对象就代表了所有,它不用关心实现的细节,甚至不用关心驱动以及SM的存在;这就是抽象。

  • 通常意义下,Binder指的是一种通信机制;我们说AIDL使用Binder进行通信,指的就是Binder这种IPC机制。
  • 对于Server进程来说,Binder指的是Binder本地对象
  • 对于Client来说,Binder指的是Binder代理对象,它只是Binder本地对象的一个远程代理;对这个Binder代理对象的操作,会通过驱动最终转发到Binder本地对象上去完成;对于一个拥有Binder对象的使用者而言,它无须关心这是一个Binder代理对象还是Binder本地对象;对于代理对象的操作和对本地对象的操作对它来说没有区别。
  • 对于传输过程而言,Binder是可以进行跨进程传递的对象;Binder驱动会对具有跨进程传递能力的对象做特殊处理:自动完成代理对象和本地对象的转换。

面向对象思想的引入将进程间通信转化为通过对某个Binder对象的引用调用该对象的方法,而其独特之处在于Binder对象是一个可以跨进程引用的对象,它的实体(本地对象)位于一个进程中,而它的引用(代理对象)却遍布于系统的各个进程之中。最诱人的是,这个引用和java里引用一样既可以是强类型,也可以是弱类型,而且可以从一个进程传给其它进程,让大家都能访问同一Server,就象将一个对象或引用赋值给另一个引用一样。Binder模糊了进程边界,淡化了进程间通信过程,整个系统仿佛运行于同一个面向对象的程序之中。形形色色的Binder对象以及星罗棋布的引用仿佛粘接各个应用程序的胶水,这也是Binder在英文里的原意。

3.3:驱动里面的Binder

我们现在知道,Server进程里面的Binder对象指的是Binder本地对象,Client里面的对象值得是Binder代理对象;在Binder对象进行跨进程传递的时候,Binder驱动会自动完成这两种类型的转换;因此Binder驱动必然保存了每一个跨越进程的Binder对象的相关信息;在驱动中,Binder本地对象的代表是一个叫做binder_node的数据结构,Binder代理对象是用binder_ref代表的;有的地方把Binder本地对象直接称作Binder实体,把Binder代理对象直接称作Binder引用(句柄),其实指的是Binder对象在驱动里面的表现形式;读者明白意思即可。

3.4:Android APP有多少Binder线程,是固定的么?

  1. Android APP进程在Zygote fork之初就为它新建了一个Binder主线程,使得APP端也可以作为Binder的服务端,这个时候Binder线程的数量就只有一个。
  2. Android APP上层应用的进程一般是开启一个Binder线程,而对于SystemServer或者media服务等使用频率高,服务复杂的进程,一般都是开启两个或者更多。
  3. Binder线程数目不固定,驱动会根据目标进程中是否存在足够多的Binder线程来告诉进程是不是要新建Binder线程。
  4. 采用动态新建Binder线程的意义有两点,第一:如果没有Client请求服务,就保持线程数不变,减少资源浪费,需要的时候再分配新线程。第二:有请求的情况下,保证至少有一个空闲线程是给Client端,以提高Server端响应速度。

3.5:Binder线程管理

  1. Binder通信实际上是位于不同进程中的线程之间的通信。假如进程S是Server端,提供Binder实体,线程T1从Client进程C1中通过Binder的引用向进程S发送请求。S为了处理这个请求需要启动线程T2,而此时线程T1处于接收返回数据的等待状态。T2处理完请求就会将处理结果返回给T1,T1被唤醒得到处理结果。在这过程中,T2仿佛T1在进程S中的代理,代表T1执行远程任务,而给T1的感觉就是象穿越到S中执行一段代码又回到了C1。为了使这种穿越更加真实,驱动会将T1的一些属性赋给T2,特别是T1的优先级nice,这样T2会使用和T1类似的时间完成任务。很多资料会用‘线程迁移’来形容这种现象,容易让人产生误解。一来线程根本不可能在进程之间跳来跳去,二来T2除了和T1优先级一样,其它没有相同之处,包括身份,打开文件,栈大小,信号处理,私有数据等。

  2. 关于工作线程的启动,Binder驱动还做了一点小小的优化。当进程P1的线程T1向进程P2发送请求时,驱动会先查看一下线程T1是否也正在处理来自P2某个线程请求但尚未完成(没有发送回复)。这种情况通常发生在两个进程都有Binder实体并互相对发时请求时。假如驱动在进程P2中发现了这样的线程,比如说T2,就会要求T2来处理T1的这次请求。因为T2既然向T1发送了请求尚未得到返回包,说明T2肯定(或将会)阻塞在读取返回包的状态。这时候可以让T2顺便做点事情,总比等在那里闲着好。而且如果T2不是线程池中的线程还可以为线程池分担部分工作,减少线程池使用率。

  3. Binder线程是执行Binder服务的载体,只对于服务端才有意义,对请求端来说,是不需要考虑Binder线程的。

  4. Binder线程就是执行Binder实体业务的线程,一个普通线程如何才能成为Binder线程呢?很简单,只要开启一个监听Binder字符设备的Loop线程即可。通过ioctl来进行监听。

  5. Binder线程与Binder主线程的区别是:线程是否可以终止Loop,不过目前启动的Binder线程都是无法退出的,其实可以全部看做是Binder主线程,其实现原理是,在SystemServer主线程执行到最后的时候,Loop监听Binder设备,变身死循环线程。

  6. Binder线程池:每个Server进程在启动时会创建一个binder线程池,并向其中注册一个Binder线程;之后Server进程也可以向binder线程池注册新的线程,或者Binder驱动在探测到没有空闲binder线程时会主动向Server进程注册新的的binder线程。对于一个Server进程有一个最大Binder线程数限制,默认为16个binder线程,例如Android的system_server进程就存在16个线程。对于所有Client端进程的binder请求都是交由Server端进程的binder线程来处理的。

3.6:Binder数据包接收队列(线程)等待队列管理

  1. 通常数据传输的接收端有两个队列:数据包接收队列和(线程)等待队列,用以缓解供需矛盾。当超市里的进货(数据包)太多,货物会堆积在仓库里;购物的人(线程)太多,会排队等待在收银台,道理是一样的。在驱动中,每个进程有一个全局的接收队列,也叫to-do队列,存放不是发往特定线程的数据包;相应地有一个全局等待队列,所有等待从全局接收队列里收数据的线程在该队列里排队。每个线程有自己私有的to-do队列,存放发送给该线程的数据包;相应的每个线程都有各自私有等待队列,专门用于本线程等待接收自己to-do队列里的数据。虽然名叫队列,其实线程私有等待队列中最多只有一个线程,即它自己。

  2. 由于发送时没有特别标记,驱动怎么判断哪些数据包该送入全局to-do队列,哪些数据包该送入特定线程的to-do队列呢?这里有两条规则。规则1:Client发给Server的请求数据包都提交到Server进程的全局to-do队列。不过有个特例,就是上面谈到的Binder对工作线程启动的优化。经过优化,来自T1的请求不是提交给P2的全局to-do队列,而是送入了T2的私有to-do队列。规则2:对同步请求的返回数据包(由BC_REPLY发送的包)都发送到发起请求的线程的私有to-do队列中。如上面的例子,如果进程P1的线程T1发给进程P2的线程T2的是同步请求,那么T2返回的数据包将送进T1的私有to-do队列而不会提交到P1的全局to-do队列。

  3. 数据包进入接收队列的潜规则也就决定了线程进入等待队列的潜规则,即一个线程只要不接收返回数据包则应该在全局等待队列中等待新任务,否则就应该在其私有等待队列中等待Server的返回数据。还是上面的例子,T1在向T2发送同步请求后就必须等待在它私有等待队列中,而不是在P1的全局等待队列中排队,否则将得不到T2的返回的数据包。

  4. 这些潜规则是驱动对Binder通信双方施加的限制条件,体现在应用程序上就是同步请求交互过程中的线程一致性:1) Client端,等待返回包的线程必须是发送请求的线程,而不能由一个线程发送请求包,另一个线程等待接收包,否则将收不到返回包;2) Server端,发送对应返回数据包的线程必须是收到请求数据包的线程,否则返回的数据包将无法送交发送请求的线程。这是因为返回数据包的目的Binder不是用户指定的,而是驱动记录在收到请求数据包的线程里,如果发送返回包的线程不是收到请求包的线程驱动将无从知晓返回包将送往何处。

  5. 接下来探讨一下Binder驱动是如何递交同步交互和异步交互的。我们知道,同步交互和异步交互的区别是同步交互的请求端(client)在发出请求数据包后须要等待应答端(Server)的返回数据包,而异步交互的发送端发出请求数据包后交互即结束。对于这两种交互的请求数据包,驱动可以不管三七二十一,统统丢到接收端的to-do队列中一个个处理。但驱动并没有这样做,而是对异步交互做了限流,令其为同步交互让路,具体做法是:对于某个Binder实体,只要有一个异步交互没有处理完毕,例如正在被某个线程处理或还在任意一条to-do队列中排队,那么接下来发给该实体的异步交互包将不再投递到to-do队列中,而是阻塞在驱动为该实体开辟的异步交互接收队列(Binder节点的async_todo域)中,但这期间同步交互依旧不受限制直接进入to-do队列获得处理。一直到该异步交互处理完毕下一个异步交互方可以脱离异步交互队列进入to-do队列中。之所以要这么做是因为同步交互的请求端需要等待返回包,必须迅速处理完毕以免影响请求端的响应速度,而异步交互属于‘发射后不管’,稍微延时一点不会阻塞其它线程。所以用专门队列将过多的异步交互暂存起来,以免突发大量异步交互挤占Server端的处理能力或耗尽线程池里的线程,进而阻塞同步交互

3.7:Binder的同步和异步的区别

  1. 很多人都会说,Binder是对Client端同步,而对Service端异步,其实并不完全正确,在单次Binder数据传递的过程中,其实都是同步的。只不过,Client在请求Server端服务的过程中,是需要返回结果的,即使是你看不到返回数据,其实还是会有个成功与失败的处理结果返回给Client,这就是所说的Client端是同步的。至于说服务端是异步的,可以这么理解:在服务端在被唤醒后,就去处理请求,处理结束后,服务端就将结果返回给正在等待的Client线程,将结果写入到Client的内核空间后,服务端就会直接返回了,不会再等待Client端的确认,这就是所说的服务端是异步的。

  2. 不过这里有一点要注意,对于同一个线程的请求,如果是阻塞的,那么没什么问题,肯定是等待上一个请求结束才能处理下一个,但是对于oneway方式的binder请求呢,这里就会存在这么一个场景,对于oneway的请求,如果上一个还没处理完,同一个线程的新的oneway请求会被塞到同一个目标线程等待执行,而不会触发创建新的Binder线程,因为这并不会妨碍另一端的处理,因为它压根无需等待,但是这可能会造成服务端单个线程任务繁重,而其他线程保持空闲,不过在一定程度上实现了同一种任务的顺序执行,可能也有一定的好处吧。

3.8:Binder权限控制

  1. A线程通过Binder远程调用线程B,线程B的IPCThreadState中的mCallingUid和mCallingPid保存的就是线程A的UID和PID,线程B可以通过UID和PID进行权限比对,判断线程A是否有权限调用线程B的某个方法。

  2. 线程B通过Binder调用当前线程的某个组件时,需要将UID和PID进行还原,当调用结束后,需要将其恢复为调用线程(线程A)的UID和PID。

3.9:ServiceManager与实名Binder

  1. 和DNS类似,SM的作用是将字符形式的Binder名字转化成Client中对该Binder的引用,使得Client能够通过Binder名字获得对Server中Binder实体的引用。注册了名字的Binder叫实名Binder,就象每个网站除了有IP地址外还有自己的网址。Server创建了Binder实体,为其取一个字符形式,可读易记的名字,将这个Binder连同名字以数据包的形式通过Binder驱动发送给SM,通知SM注册一个名叫张三的Binder,它位于某个Server中。驱动为这个穿过进程边界的Binder创建位于内核中的实体节点以及SM对实体的引用,将名字及新建的引用打包传递给SM。SM收数据包后,从中取出名字和引用填入一张查找表中。

  2. 细心的读者可能会发现其中的蹊跷:SM是一个进程,Server是另一个进程,Server向SM注册Binder必然会涉及进程间通信。当前实现的是进程间通信却又要用到进程间通信,这就好象蛋可以孵出鸡前提却是要找只鸡来孵蛋。Binder的实现比较巧妙:预先创造一只鸡来孵蛋:SM和其它进程同样采用Binder通信,SM是Server端,有自己的Binder对象(实体),其它进程都是Client,需要通过这个Binder的引用来实现Binder的注册,查询和获取。SM提供的Binder比较特殊,它没有名字也不需要注册,当一个进程使用BINDER_SET_CONTEXT_MGR命令将自己注册成SM时Binder驱动会自动为它创建Binder实体(这就是那只预先造好的鸡)。其次这个Binder的引用在所有Client中都固定为0而无须通过其它手段获得。也就是说,一个Server若要向SM注册自己Binder就必需通过0这个引用号和SM的Binder通信。类比网络通信,0号引用就好比域名服务器的地址,你必须预先手工或动态配置好。要注意这里说的Client是相对SM而言的,一个应用程序可能是个提供服务的Server,但对SM来说它仍然是个Client。

  3. Server向SM注册了Binder实体及其名字后,Client就可以通过名字获得该Binder的引用了。Client也利用保留的0号引用向SM请求访问某个Binder:我申请获得名字叫张三的Binder的引用。SM收到这个连接请求,从请求数据包里获得Binder的名字,在查找表里找到该名字对应的条目,从条目中取出Binder的引用,将该引用作为回复发送给发起请求的Client。从面向对象的角度,这个Binder对象现在有了两个引用:一个位于SM中,一个位于发起请求的Client中。如果接下来有更多的Client请求该Binder,系统中就会有更多的引用指向该Binder,就象java里一个对象存在多个引用一样。而且类似的这些指向Binder的引用是强类型,从而确保只要有引用Binder实体就不会被释放掉。通过以上过程可以看出,SM象个火车票代售点,收集了所有火车的车票,可以通过它购买到乘坐各趟火车的票-得到某个Binder的引用。

3.10:匿名Binder

  1. 在ServiceManager中注册过的Binder都叫实名Binder。当Client与Server通过实名Binder建立好Binder连接后,Server还可以通过这个连接将新的Binder实体封装进数据包传递给Client,这个被传递的就叫做匿名Binder,匿名Binder依然会在Binder Driver中生成实体节点,但不会在ServiceManager中注册。

  2. service不是必须去service manager中注册后才能去使用。

  3. 匿名binder必须是建立在一个实名binder之上的,实名binder就是在service manager中注册过的。首先client和server通过实名binder建立联系,然后把匿名binder通过这个实名通道“传递过去”,对方也可以正确获取service的代理对象Bpxxx。

  4. 平常开发过程中,通过aidl和binderService方式获取的Binder是不会注册到SM中的,这种Binder就是匿名Binder,匿名Binder要依赖于实名Binder进行传递,比如Service中的onBind方法返回的Binder对象是需要通过AMS来传递给客户端的。

3.11:系统服务与bindService等启动的服务的区别

也就是上面说的实名Binder和匿名Binder的区别。

服务可分为系统服务与普通服务,系统服务一般是在系统启动的时候,由SystemServer进程创建并注册到ServiceManager中的。而普通服务一般是通过ActivityManagerService启动的服务,或者说通过四大组件中的Service组件启动的服务。这两种服务在实现跟使用上是有不同的,主要从以下几个方面:

  1. 服务的启动方式

    • 统服务一般都是SystemServer进程负责启动,比如AMS,WMS,PKMS,电源管理等,这些服务本身其实实现了Binder接口,作为Binder实体注册到ServiceManager中,被ServiceManager管理,而SystemServer进程里面会启动一些Binder线程,主要用于监听Client的请求,并分发给响应的服务实体类,可以看出,这些系统服务是位于SystemServer进程中。

    • bindService类型的服务,这类服务一般是通过Activity的startService或者其他context的startService启动的,这里的Service组件只是个封装,主要的是里面Binder服务实体类,这个启动过程不是ServcieManager管理的,而是通过ActivityManagerService进行管理的,同Activity管理类似(Binder实体保存在ServiceRecord中)。

  2. 服务的注册与管理

    • 系统服务一般都是通过ServiceManager的addService进行注册的,这些服务一般都是需要拥有特定的权限才能注册到ServiceManager。

    • bindService启动的服务可以算是注册到ActivityManagerService,只不过ActivityManagerService管理服务的方式同ServiceManager不一样,而是采用了Activity的管理模型。

  3. 服务的请求使用方式

    • 系统服务一般都是通过ServiceManager的getService得到服务的句柄,这个过程其实就是去ServiceManager中查询注册系统服务。

    • bindService启动的服务,主要是去ActivityManagerService中去查找相应的Service组件,最终会将Service内部Binder的句柄传给Client。

四:Binder机制跨进程原理

Binder的通信模型,指出了通信过程的四个角色: Client, Server, SM, driver; 但是我们仍然不清楚Client到底是如何与Server完成通信的。

两个运行在用户空间的进程A和进程B如何完成通信呢?内核可以访问A和B的所有数据;所以,最简单的方式是通过内核做中转;假设进程A要给进程B发送数据,那么就先把A的数据copy到内核空间,然后把内核空间对应的数据copy到B就完成了;用户空间要操作内核空间,需要通过系统调用;刚好,这里就有两个系统调用:copy_from_user, copy_to_user。

但是,Binder机制并不是这么干的。讲这么一段,是说明进程间通信并不是什么神秘的东西。那么,Binder机制是如何实现跨进程通信的呢?

Binder驱动为我们做了一切。

假设Client进程想要调用Server进程的object对象的一个方法add;对于这个跨进程通信过程,我们来看看Binder机制是如何做的。 (通信是一个广泛的概念,只要一个进程能调用另外一个进程里面某对象的方法,那么具体要完成什么通信内容就很容易了。)

《IPC机制 Binder》

首先,Server进程要向SM注册;告诉自己是谁,自己有什么能力;在这个场景就是Server告诉SM,它叫zhangsan,它有一个object对象,可以执行add 操作;于是SM建立了一张表:zhangsan这个名字对应进程Server;

然后Client向SM查询:我需要联系一个名字叫做zhangsan的进程里面的object对象;这时候关键来了:进程之间通信的数据都会经过运行在内核空间里面的驱动,驱动在数据流过的时候做了一点手脚,它并不会给Client进程返回一个真正的object对象,而是返回一个看起来跟object一模一样的代理对象objectProxy,这个objectProxy也有一个add方法,但是这个add方法没有Server进程里面object对象的add方法那个能力;objectProxy的add只是一个傀儡,它唯一做的事情就是把参数包装然后交给驱动。(这里我们简化了SM的流程,见下文)

但是Client进程并不知道驱动返回给它的对象动过手脚,毕竟伪装的太像了,如假包换。Client开开心心地拿着objectProxy对象然后调用add方法;我们说过,这个add什么也不做,直接把参数做一些包装然后直接转发给Binder驱动。

驱动收到这个消息,发现是这个objectProxy;一查表就明白了:我之前用objectProxy替换了object发送给Client了,它真正应该要访问的是object对象的add方法;于是Binder驱动通知Server进程,调用你的object对象的add方法,然后把结果发给我,Sever进程收到这个消息,照做之后将结果返回驱动,驱动然后把结果返回给Client进程;于是整个过程就完成了。

由于驱动返回的objectProxy与Server进程里面原始的object是如此相似,给人感觉好像是直接把Server进程里面的对象object传递到了Client进程;因此,我们可以说Binder对象是可以进行跨进程传递的对象

但事实上我们知道,Binder跨进程传输并不是真的把一个对象传输到了另外一个进程;传输过程好像是Binder跨进程穿越的时候,它在一个进程留下了一个真身,在另外一个进程幻化出一个影子(这个影子可以很多个);Client进程的操作其实是对于影子的操作,影子利用Binder驱动最终让真身完成操作。

理解这一点非常重要;务必仔细体会。另外,Android系统实现这种机制使用的是代理模式, 对于Binder的访问,如果是在同一个进程(不需要跨进程),那么直接返回原始的Binder实体;如果在不同进程,那么就给他一个代理对象(影子);我们在系统源码以及AIDL的生成代码里面可以看到很多这种实现。

另外我们为了简化整个流程,隐藏了SM这一部分驱动进行的操作;实际上,由于SM与Server通常不在一个进程,Server进程向SM注册的过程也是跨进程通信,驱动也会对这个过程进行暗箱操作:SM中存在的Server端的对象实际上也是代理对象,后面Client向SM查询的时候,驱动会给Client返回另外一个代理对象。Sever进程的本地对象仅有一个,其他进程所拥有的全部都是它的代理。

一句话总结就是:Client进程只不过是持有了Server端的代理;代理对象协助驱动完成了跨进程通信。

五:深入理解Java层的Binder

5.1:认识IBinder/IInterface/Binder/BinderProxy/Stub

我们使用AIDL接口的时候,经常会接触到这些类,那么这每个类代表的是什么呢?

  1. IBinder是一个接口,它代表了一种跨进程传输的能力;只要实现了这个接口,就能将这个对象进行跨进程传递;这是驱动底层支持的;在跨进程数据流经驱动的时候,驱动会识别IBinder类型的数据,从而自动完成不同进程Binder本地对象以及Binder代理对象的转换。

  2. IBinder负责数据传输,那么client与server端的调用契约(这里不用接口避免混淆)呢?这里的IInterface代表的就是远程server对象具有什么能力。具体来说,就是aidl里面的接口。

  3. Java层的Binder类,代表的其实就是Binder本地对象。BinderProxy类是Binder类的一个内部类,它代表远程进程的Binder对象的本地代理;这两个类都继承自IBinder, 因而都具有跨进程传输的能力;实际上,在跨越进程的时候,Binder驱动会自动完成这两个对象的转换。

  4. 在使用AIDL的时候,编译工具会给我们生成一个Stub的静态内部类;这个类继承了Binder, 说明它是一个Binder本地对象,它实现了IInterface接口,表明它具有远程Server承诺给Client的能力;Stub是一个抽象类,具体的IInterface的相关实现需要我们手动完成,这里使用了策略模式。

5.2 AIDL过程分析

现在我们通过一个AIDL的使用,分析一下整个通信过程中,各个角色到底做了什么,AIDL到底是如何完成通信的。(如果你连AIDL都不熟悉,请先查阅官方文档),在接来下的一篇博客我也会详细的介绍AIDL.

首先定一个一个简单的aidl接口:

// TestAIDL .aidl
package com.example.test.aidl;
interface TestAIDL { 
     int add(int a, int b);
}

然后用编译工具编译之后,可以得到对应的TestAIDL.java类,看看系统给我们生成的代码:

package com.example.test.aidl;

public interface TestAIDL extends android.os.IInterface { 
    /** * Local-side IPC implementation stub class. */
    public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements com.example.test.aidl.TestAIDL { 
        private static final java.lang.String DESCRIPTOR = "com.example.test.aidl.TestAIDL";

        /** * Construct the stub at attach it to the interface. */
        public Stub() { 
            this.attachInterface(this, DESCRIPTOR);
        }

        /** * Cast an IBinder object into an com.example.test.aidl.TestAIDL interface, * generating a proxy if needed. */
        public static com.example.test.app.ICompute asInterface(android.os.IBinder obj) { 
            if ((obj == null)) { 
                return null;
            }
            android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);
            if (((iin != null) && (iin instanceof com.example.test.app.ICompute))) { 
                return ((com.example.test.app.ICompute) iin);
            }
            return new com.example.test.app.ICompute.Stub.Proxy(obj);
        }

        @Override
        public android.os.IBinder asBinder() { 
            return this;
        }

        @Override
        public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags) throws android.os.RemoteException { 
            switch (code) { 
                case INTERFACE_TRANSACTION: { 
                    reply.writeString(DESCRIPTOR);
                    return true;
                }
                case TRANSACTION_add: { 
                    data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
                    int _arg0;
                    _arg0 = data.readInt();
                    int _arg1;
                    _arg1 = data.readInt();
                    int _result = this.add(_arg0, _arg1);
                    reply.writeNoException();
                    reply.writeInt(_result);
                    return true;
                }
            }
            return super.onTransact(code, data, reply, flags);
        }

        private static class Proxy implements com.example.test.app.ICompute { 
            private android.os.IBinder mRemote;

            Proxy(android.os.IBinder remote) { 
                mRemote = remote;
            }

            @Override
            public android.os.IBinder asBinder() { 
                return mRemote;
            }

            public java.lang.String getInterfaceDescriptor() { 
                return DESCRIPTOR;
            }

            /** * Demonstrates some basic types that you can use as parameters * and return values in AIDL. */
            @Override
            public int add(int a, int b) throws android.os.RemoteException { 
                android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
                android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
                int _result;
                try { 
                    _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
                    _data.writeInt(a);
                    _data.writeInt(b);
                    mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_add, _data, _reply, 0);
                    _reply.readException();
                    _result = _reply.readInt();
                } finally { 
                    _reply.recycle();
                    _data.recycle();
                }
                return _result;
            }
        }

        static final int TRANSACTION_add = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0);
    }

    /** * Demonstrates some basic types that you can use as parameters * and return values in AIDL. */
    public int add(int a, int b) throws android.os.RemoteException;
}

系统帮我们生成了这个文件之后,我们只需要继承TestAIDL .Stub这个抽象类,实现它的方法,然后在Service 的onBind方法里面返回就实现了AIDL。这个Stub类非常重要,具体看看它做了什么。

Stub类继承自Binder,意味着这个Stub其实自己是一个Binder本地对象,然后实现了ICompute接口,ICompute本身是一个IInterface,因此他携带某种客户端需要的能力(这里是方法add)。此类有一个内部类Proxy,也就是Binder代理对象;

然后看看asInterface方法,我们在bind一个Service之后,在onServiceConnecttion的回调里面,就是通过这个方法拿到一个远程的service的,这个方法做了什么呢?

/** * Cast an IBinder object into an com.example.test.aidl.TestAIDL interface, * generating a proxy if needed. */
public static com.example.test.aidl.TestAIDL asInterface(android.os.IBinder obj) { 
    if ((obj == null)) { 
        return null;
    }
    android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);
    if (((iin != null) && (iin instanceof com.example.test.aidl.TestAIDL))) { 
        return ((com.example.test.aidl.TestAIDL) iin);
    }
    return new com.example.test.aidl.TestAIDL.Stub.Proxy(obj);
}

首先看函数的参数IBinder类型的obj,这个对象是驱动给我们的,如果是Binder本地对象,那么它就是Binder类型,如果是Binder代理对象,那就是BinderProxy类型;然后,正如上面自动生成的文档所说,它会试着查找Binder本地对象,如果找到,说明Client和Server都在同一个进程,这个参数直接就是本地对象,直接强制类型转换然后返回,如果找不到,说明是远程对象(处于另外一个进程)那么就需要创建一个Binde代理对象,让这个Binder代理实现对于远程对象的访问。一般来说,如果是与一个远程Service对象进行通信,那么这里返回的一定是一个Binder代理对象,这个IBinder参数的实际上是BinderProxy;

再看看我们对于aidl的add 方法的实现;在Stub类里面,add是一个抽象方法,我们需要继承这个类并实现它;如果Client和Server在同一个进程,那么直接就是调用这个方法;那么,如果是远程调用,这中间发生了什么呢?Client是如何调用到Server的方法的?

我们知道,对于远程方法的调用,是通过Binder代理完成的,在这个例子里面就是Proxy类;Proxy对于add方法的实现如下:

Override
public int add(int a, int b) throws android.os.RemoteException { 
    android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
    android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
    int _result;
    try { 
        _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
        _data.writeInt(a);
        _data.writeInt(b);
        mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_add, _data, _reply, 0);
        _reply.readException();
        _result = _reply.readInt();
    } finally { 
        _reply.recycle();
        _data.recycle();
    }
    return _result;
}

它首先用Parcel把数据序列化了,然后调用了transact方法;这个transact到底做了什么呢?这个Proxy类在asInterface方法里面被创建,前面提到过,如果是Binder代理那么说明驱动返回的IBinder实际是BinderProxy, 因此我们的Proxy类里面的mRemote实际类型应该是BinderProxy;我们看看BinderProxy的transact方法:(Binder.java的内部类)

public native boolean transact(int code, Parcel data, Parcel reply,
            int flags) throws RemoteException;

这是一个本地方法;它的实现在native层,具体来说在frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp文件,里面进行了一系列的函数调用,调用链实在太长这里就不给出了;要知道的是它最终调用到了talkWithDriver函数;看这个函数的名字就知道,通信过程要交给驱动完成了;这个函数最后通过ioctl系统调用,Client进程陷入内核态,Client调用add方法的线程挂起等待返回;驱动完成一系列的操作之后唤醒Server进程,调用了Server进程本地对象的onTransact函数(实际上由Server端线程池完成)。我们再看Binder本地对象的onTransact方法(这里就是Stub类里面的此方法):

@Override
public boolean onTransact(int code, android.os.Parcel data, android.os.Parcel reply, int flags) throws android.os.RemoteException { 
    switch (code) { 
        case INTERFACE_TRANSACTION: { 
            reply.writeString(DESCRIPTOR);
            return true;
        }
        case TRANSACTION_add: { 
            data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
            int _arg0;
            _arg0 = data.readInt();
            int _arg1;
            _arg1 = data.readInt();
            int _result = this.add(_arg0, _arg1);
            reply.writeNoException();
            reply.writeInt(_result);
            return true;
        }
    }
    return super.onTransact(code, data, reply, flags);
}

在Server进程里面,onTransact根据调用号(每个AIDL函数都有一个编号,在跨进程的时候,不会传递函数,而是传递编号指明调用哪个函数)调用相关函数;在这个例子里面,调用了Binder本地对象的add方法;这个方法将结果返回给驱动,驱动唤醒挂起的Client进程里面的线程并将结果返回。于是一次跨进程调用就完成了。

至此,你应该对AIDL这种通信方式里面的各个类以及各个角色有了一定的了解;它总是那么一种固定的模式:一个需要跨进程传递的对象一定继承自IBinder,如果是Binder本地对象,那么一定继承Binder实现IInterface,如果是代理对象,那么就实现了IInterface并持有了IBinder引用;

Proxy与Stub不一样,虽然他们都既是Binder又是IInterface,不同的是Stub采用的是继承(is 关系),Proxy采用的是组合(has 关系)。他们均实现了所有的IInterface函数,不同的是,Stub又使用策略模式调用的是虚函数(待子类实现),而Proxy则使用组合模式。为什么Stub采用继承而Proxy采用组合?事实上,Stub本身is一个IBinder(Binder),它本身就是一个能跨越进程边界传输的对象,所以它得继承IBinder实现transact这个函数从而得到跨越进程的能力(这个能力由驱动赋予)。Proxy类使用组合,是因为他不关心自己是什么,它也不需要跨越进程传输,它只需要拥有这个能力即可,要拥有这个能力,只需要保留一个对IBinder的引用。如果把这个过程做一个类比,在封建社会,Stub好比皇帝,可以号令天下,他生而具有这个权利(不要说宣扬封建迷信。。)如果一个人也想号令天下,可以,“挟天子以令诸侯”。为什么不自己去当皇帝,其一,一般情况没必要,当了皇帝其实限制也蛮多的是不是?我现在既能掌管天下,又能不受约束(Java单继承);其二,名不正言不顺啊,我本来特么就不是(Binder),你非要我是说不过去,搞不好还会造反。最后呢,如果想当皇帝也可以,那就是asBinder了。在Stub类里面,asBinder返回this,在Proxy里面返回的是持有的组合类IBinder的引用。

再去翻阅系统的ActivityManagerServer的源码,就知道哪一个类是什么角色了:IActivityManager是一个IInterface,它代表远程Service具有什么能力,ActivityManagerNative指的是Binder本地对象(类似AIDL工具生成的Stub类),这个类是抽象类,它的实现是ActivityManagerService;因此对于AMS的最终操作都会进入ActivityManagerService这个真正实现;同时如果仔细观察,ActivityManagerNative.java里面有一个非公开类ActivityManagerProxy, 它代表的就是Binder代理对象;是不是跟AIDL模型一模一样呢?那么ActivityManager是什么?他不过是一个管理类而已,可以看到真正的操作都是转发给ActivityManagerNative进而交给他的实现ActivityManagerService 完成的。

六:总结

总之,要深入理解Binder,需要自己下功夫,但是基本的原理和理论知识是必不可少的。那些native层以及驱动里面的调用过程,需要大家深入理解源码。比如了解Parcel, IBinder, Binder等涉及到跨进程通信的类。目前我推荐大家学习如下倆篇优质博客。相信一定大有裨益。同时自己也正研读这倆篇博客,后期我将结合Android源码,Android文档更深入的探究和讲解Android的IPC。而在接下来的一篇里,我将着重介绍AIDL。

优质博客链接:

1. Android Bander设计与实现 – 设计篇
2. Android进程间通信(IPC)机制Binder简要介绍和学习计划

    原文作者:不羁少年!
    原文地址: https://blog.csdn.net/ljx1400052550/article/details/115545382
    本文转自网络文章,转载此文章仅为分享知识,如有侵权,请联系博主进行删除。
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