Framework和Binder的內(nèi)容挺深的活箕，本文還是站在應(yīng)用層開發(fā)者的角度來建立基本認知先壕，能在遇到問題的時候有思路和方向即可嗡害。（本文將帶著關(guān)鍵問題和核心流程展開琢歇，不會面面俱到）
大綱：
- 背景
- 為什么要多進程
- 為什么要Binder
- Binder簡單架構(gòu)
- 簡單示例
- 源碼分析
- 客戶端與驅(qū)動交互
- 服務(wù)端與驅(qū)動交互
- 總結(jié)
- 細節(jié)補充
- Binder為什么高效
- Binder為什么不用shm
- 提問
- 參考資料
本文約4.0k字兰怠，閱讀大約17分鐘。
Android源碼基于8.0矿微。
背景
為什么要多進程
Binder是Android系統(tǒng)的一種跨進程通信（IPC）機制痕慢。
在Android系統(tǒng)中，單個進程被分配了有限的內(nèi)存涌矢，多進程可以使用更多內(nèi)存、隔離崩潰風險等快骗。
多進程在Android中常見的使用場景有獨立進程的WebView娜庇、推送、狈嚼海活名秀、系統(tǒng)服務(wù)等，既然是多進程場景藕溅，那么就需要跨進程通信了匕得。
為什么要Binder
Linux自帶了一些跨進程通信方式：
管道（pipe）：管道描述符是半雙工，單向的巾表，數(shù)據(jù)只能往一個方向流汁掠，想要讀寫需要兩個管道描述符。Linux提供了pipe(fds)來獲取一對描述符集币，一個讀一個寫考阱。匿名管道只能用在具有親緣關(guān)系的父子進程間的通信，有名管道無此限制鞠苟。
Socket：全雙工乞榨，可讀可寫秽之。如Zygote進程等待AMS系統(tǒng)服務(wù)發(fā)起socket請求來創(chuàng)建應(yīng)用進程。
共享內(nèi)存（shm吃既，Shared Memory）：會映射一段能被多個進程訪問的內(nèi)存考榨，是最高效的IPC方式，他通常需要結(jié)合其他跨進程方式如信號量來同步信息鹦倚。Android基于shm改進得到匿名共享內(nèi)存Ashmem（Anonymous Shared Memory）河质，因高效而適合處理較大的數(shù)據(jù)，如應(yīng)用進程通過共享內(nèi)存來讀取SurfaceFlinger進程合成的視圖數(shù)據(jù)申鱼，進行展示愤诱。
內(nèi)存映射（mmap）：Linux通過將一個虛擬內(nèi)存區(qū)域與一個磁盤上的文件關(guān)聯(lián)起來，以初始化這個虛擬內(nèi)存區(qū)域的內(nèi)容捐友。通過指針的方式讀寫內(nèi)存淫半，系統(tǒng)會同步進對應(yīng)的磁盤文件。Binder用到了mmap匣砖。
信號（signal）：單向的科吭，發(fā)個信號就完事，無返回結(jié)果猴鲫。只能發(fā)信號对人，帶不了參數(shù)。如子進程被殺掉后系統(tǒng)會發(fā)出SIGCHLD信號拂共，父進程會清理子進程在進程表的描述信息防止
僵尸進程的發(fā)生牺弄。
另外還有文件共享、消息隊列（Message）等跨進程通信方式...
這些跨進程通信方式都各有優(yōu)劣宜狐，Android最終選擇了自建一套兼顧好用势告、高效、安全的Binder抚恒。
- 好用：易用的C/S架構(gòu)（借助AIDL后只需編寫業(yè)務(wù)邏輯）
- 高效：用mmap進行內(nèi)存映射咱台，只需一次拷貝
- 安全：內(nèi)核態(tài)管理身份標記，每個App有UID來校驗權(quán)限俭驮，同時支持實名（系統(tǒng)服務(wù)）和匿名（自己創(chuàng)建的服務(wù)）
Binder簡單架構(gòu)
Linux內(nèi)存被分為用戶空間和內(nèi)核空間回溺，用戶空間需要經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)用才能訪問到內(nèi)核空間。
（圖片來源：「寫給Android應(yīng)用工程師的Binder原理剖析」）
Binder整體基于C/S架構(gòu)混萝。運行在內(nèi)核空間的Binder驅(qū)動程序遗遵，會為用戶空間暴露出一個設(shè)備文件/dev/binder，進程間通過該文件來建立通信通道譬圣。
Binder的啟動過程：
- 打開binder驅(qū)動（open）
- 將驅(qū)動文件的描述符（mDriverFD）進行內(nèi)存映射（mmap）瓮恭，分配緩沖區(qū)
- 服務(wù)端運行binder線程，把線程注冊到binder驅(qū)動厘熟，進入循環(huán)等待客戶端的指令（兩端通過ioctl與驅(qū)動交互）
簡單示例
AIDL（Android接口定義語言）可以輔助生成Binder的Java類屯蹦，減少重復工作维哈，使用姿勢網(wǎng)上有很多，這里就直接手寫吧登澜，方便理解阔挠。
示例調(diào)用流程如下：
代碼不多，大部分是log脑蠕，重點看注釋就行购撼。
客戶端Activity：
//NoAidlActivity.java
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
Intent intent = new Intent(this, MyService.class);
bindService(intent, new ServiceConnection() {
@Override
public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
//1. 從對象池拿到可復用的對象（享元模式）
Parcel data = Parcel.obtain();
Parcel reply = Parcel.obtain();
Log.e("哈利迪", "--- 我是客戶端 NoAidlActivity , pid = "
+ Process.myPid() + ", thread = "
+ Thread.currentThread().getName());
String str = "666";
Log.e("哈利迪", "客戶端向服務(wù)端發(fā)送：" + str);
//2. 往data寫數(shù)據(jù)，作為請求參數(shù)
data.writeString(str);
//3. 拿到服務(wù)端的IBinder句柄谴仙，調(diào)用transact
//約定行為碼是1迂求；需要服務(wù)端的返回值，所以flags傳0表示同步調(diào)用
service.transact(1, data, reply, 0);
Log.e("哈利迪", "--- 我是客戶端 NoAidlActivity , pid = "
+ Process.myPid() + ", thread = "
+ Thread.currentThread().getName());
//4. 從reply讀取服務(wù)端的返回值
Log.e("哈利迪", "客戶端接收服務(wù)端返回：" + reply.readString());
}
}, Context.BIND_AUTO_CREATE);
}
service.transact傳入了flags為0晃跺，表示同步調(diào)用揩局，會阻塞等待服務(wù)端的返回值。如果服務(wù)端進行了耗時操作掀虎，此時用戶操作UI則會引起ANR凌盯。
flags的另一個值是1，表示異步調(diào)用的one way烹玉，不需要等待服務(wù)端的返回結(jié)果驰怎，先忽略。
來看服務(wù)端運行的Service二打，
class MyService extends Service {
@Override
public IBinder onBind(Intent intent) {
//返回服務(wù)端的IBinder句柄
return new MyBinder();
}
}
注冊服務(wù)县忌，讓服務(wù)端Service運行在:remote進程，來實現(xiàn)跨進程继效，
<service
android:name=".binder.no_aidl.MyService"
android:process=":remote" />
運行在服務(wù)端的Binder對象芹枷，
class MyBinder extends Binder {
@Override
protected boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags){
if (code == 1) {//如果是約定好的行為碼1
Log.e("哈利迪", "--- 我是服務(wù)端 MyBinder , pid = "
+ Process.myPid() + ", thread = "
+ Thread.currentThread().getName());
//1. 從data讀取客戶端參數(shù)
Log.e("哈利迪", "服務(wù)端收到：" + data.readString());
String str = "777";
Log.e("哈利迪", "服務(wù)端返回：" + str);
//2. 從reply向客戶端寫返回值
reply.writeString(str);
//3. 處理完成
return true;
}
return super.onTransact(code, data, reply, flags);
}
}
運行如下，7行日志：
由于我們的flags傳入的是0同步調(diào)用莲趣，可以試著在服務(wù)端onTransact里sleep幾秒，會發(fā)現(xiàn)客戶端需要幾秒后才能打印出返回值饱溢。所以如果服務(wù)端需要進行耗時操作喧伞，客戶端則需要在子線程里進行binder調(diào)用湿弦。
延伸：從
IT互聯(lián)網(wǎng)大叔的「android獲取進程名函數(shù)叉跛，如何優(yōu)化到極致」一文可見裕偿，在使用系統(tǒng)API時勺择，如果有更好的方案期虾，還是建議將跨進程方案getSystemService放到最后作為兜底帝蒿，因為他需要的binder調(diào)用本身有開銷吊说，而且作為應(yīng)用層開發(fā)者也很少會去關(guān)注遠方進程的內(nèi)部實現(xiàn)局服，萬一對方有潛在的耗時操作呢状植？
通過這個例子浊竟，我們可以看出怨喘，Binder機制使用了Parcel來序列化數(shù)據(jù)，客戶端在主線程調(diào)用了transact來請求（Parcel data傳參）振定，服務(wù)端在Binder線程調(diào)用onTransact來響應(yīng)（Parcel reply回傳結(jié)果）必怜。
源碼分析
Binder的調(diào)用流程大致如下，native層BpBinder的Bp指的是Binder proxy后频，
可見梳庆，需要經(jīng)過如下調(diào)用才能完成一次通信：
- 請求：客戶端Java層->客戶端native層->Binder驅(qū)動層->服務(wù)端native層->服務(wù)端Java層
- 響應(yīng)：服務(wù)端Java層->服務(wù)端native層->Binder驅(qū)動層->客戶端native層->客戶端Java層
即Binder驅(qū)動層充當著一個中轉(zhuǎn)站的作用，有點像網(wǎng)絡(luò)分層模型卑惜。
客戶端與驅(qū)動交互
先來看客戶端與驅(qū)動的交互膏执。因為是跨進程調(diào)用（指定了:remote），示例里onServiceConnected回調(diào)回來的service對象是個BinderProxy代理實例（不跨進程的話會發(fā)生遠程轉(zhuǎn)本地露久，后面講）更米，我們以service.transact(1, data, reply, 0)這行調(diào)用作為入口跟進。
BinderProxy類寫在Binder類文件里面：
//BinderProxy.java
public boolean transact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags){
//調(diào)用了native方法
return transactNative(code, data, reply, flags);
}
這個native方法在android_util_Binder.cpp里注冊抱环，
//android_util_Binder.cpp
//JNI注冊
static const JNINativeMethod gBinderProxyMethods[] = {
{ "transactNative",
"(ILandroid/os/Parcel;Landroid/os/Parcel;I)Z",
(void*)android_os_BinderProxy_transact},
};
//native方法具體實現(xiàn)
static jboolean android_os_BinderProxy_transact(JNIEnv* env, jobject obj,
jint code, jobject dataObj, jobject replyObj, jint flags){
//轉(zhuǎn)成native層的Parcel
Parcel* data = parcelForJavaObject(env, dataObj);
Parcel* reply = parcelForJavaObject(env, replyObj);
//拿到native層的句柄BpBinder
IBinder* target = (IBinder*)
env->GetLongField(obj, gBinderProxyOffsets.mObject);
//調(diào)用BpBinder的transact
status_t err = target->transact(code, *data, reply, flags);
}
繼續(xù)跟BpBinder.cpp壳快，
//BpBinder.cpp
status_t BpBinder::transact(...){
//交給線程單例處理，驅(qū)動會根據(jù)mHandle值來找到對應(yīng)的binder句柄
status_t status = IPCThreadState::self()->transact(
mHandle, code, data, reply, flags);
}
IPCThreadState是一個線程單例镇草，負責與binder驅(qū)動進行具體的指令通信眶痰，跟進IPCThreadState.cpp，
//IPCThreadState.cpp
status_t IPCThreadState::transact(...){
//將數(shù)據(jù)寫入mOut梯啤，見1.1
err = writeTransactionData(BC_TRANSACTION, flags, handle, code, data, NULL);
//...先忽略one way異步調(diào)用的代碼竖伯，只看有返回值的同步調(diào)用
//跟binder驅(qū)動交互，傳入reply接收返回數(shù)據(jù)因宇，見1.2
err = waitForResponse(reply);
}
//1.1 將數(shù)據(jù)寫入mOut
status_t IPCThreadState::writeTransactionData(...)
{
binder_transaction_data tr;
//...打包各種數(shù)據(jù)（data size七婴、buffer、offsets）
tr.sender_euid = 0;
//將BC_TRANSACTION指令寫入mOut
mOut.writeInt32(cmd);
//將打包好的binder_transaction_data寫入mOut
mOut.write(&tr, sizeof(tr));
}
//1.2 跟binder驅(qū)動交互察滑，傳入reply接收返回數(shù)據(jù)
status_t IPCThreadState::waitForResponse(...){
//這個循環(huán)很重要打厘，客戶端就是在這里休眠等待服務(wù)端返回結(jié)果的
while (1) {
//跟驅(qū)動進行數(shù)據(jù)交互，往驅(qū)動寫mOut贺辰，從驅(qū)動讀mIn户盯，見1.3
talkWithDriver();
//讀取驅(qū)動回復的指令
cmd = (uint32_t)mIn.readInt32();
switch (cmd) {
case BR_TRANSACTION_COMPLETE:
//表示驅(qū)動已經(jīng)收到客戶端的transact請求
//如果是one way異步調(diào)用，到這就可以結(jié)束了
if (!reply && !acquireResult) goto finish;
break;
case BR_REPLY:
//表示客戶端收到服務(wù)端的返回結(jié)果
binder_transaction_data tr;
//把服務(wù)端的數(shù)據(jù)讀出來饲化，打包進tr
err = mIn.read(&tr, sizeof(tr));
//再把tr的數(shù)據(jù)透傳進reply
reply->ipcSetDataReference(...);
//結(jié)束
goto finish;
}
}
}
//1.3 跟驅(qū)動進行數(shù)據(jù)交互莽鸭，往驅(qū)動寫mOut，從驅(qū)動讀mIn
status_t IPCThreadState::talkWithDriver(bool doReceive){
binder_write_read bwr;
//指定寫數(shù)據(jù)大小和寫緩沖區(qū)
bwr.write_size = outAvail;
bwr.write_buffer = (uintptr_t)mOut.data();
//指定讀數(shù)據(jù)大小和讀緩沖區(qū)
if (doReceive && needRead) {
bwr.read_size = mIn.dataCapacity();
bwr.read_buffer = (uintptr_t)mIn.data();
} else {
bwr.read_size = 0;
bwr.read_buffer = 0;
}
//ioctl的調(diào)用進入了binder驅(qū)動層的binder_ioctl
ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr);
if (bwr.write_consumed > 0) {
//數(shù)據(jù)已經(jīng)寫入驅(qū)動吃靠，從mOut移除
if (bwr.write_consumed < mOut.dataSize())
mOut.remove(0, bwr.write_consumed);
else
mOut.setDataSize(0);
}
if (bwr.read_consumed > 0) {
//從驅(qū)動讀出數(shù)據(jù)存入mIn
mIn.setDataSize(bwr.read_consumed);
mIn.setDataPosition(0);
}
}
ioctl的調(diào)用進入了binder驅(qū)動層的binder_ioctl硫眨，驅(qū)動層的代碼先不跟。
服務(wù)端與驅(qū)動交互
從「一圖摸清Android應(yīng)用進程的啟動」一文可知巢块，服務(wù)端創(chuàng)建了一個線程注冊進binder驅(qū)動礁阁，即binder線程巧号，在ProcessState.cpp，
//ProcessState.cpp
virtual bool threadLoop()
{ //把binder線程注冊進binder驅(qū)動程序的線程池中
IPCThreadState::self()->joinThreadPool(mIsMain);
return false;
}
跟進IPCThreadState.cpp氮兵，
//IPCThreadState.cpp
void IPCThreadState::joinThreadPool(bool isMain){
//向binder驅(qū)動寫數(shù)據(jù)裂逐，表示當前線程需要注冊進binder驅(qū)動
mOut.writeInt32(isMain ? BC_ENTER_LOOPER : BC_REGISTER_LOOPER);
status_t result;
do {
//進入死循環(huán)，等待指令的到來泣栈，見1.1
result = getAndExecuteCommand();
} while (result != -ECONNREFUSED && result != -EBADF);
//向binder驅(qū)動寫數(shù)據(jù)（退出循環(huán)卜高，線程結(jié)束）
mOut.writeInt32(BC_EXIT_LOOPER);
}
//1.1 等待指令的到來
status_t IPCThreadState::getAndExecuteCommand(){
//跟驅(qū)動進行數(shù)據(jù)交互，驅(qū)動會把指令寫進mIn
talkWithDriver();
//從mIn讀出指令
cmd = mIn.readInt32();
//執(zhí)行指令南片，見1.2
result = executeCommand(cmd);
return result;
}
//1.2 執(zhí)行指令
status_t IPCThreadState::executeCommand(int32_t cmd){
//客戶端發(fā)請求到驅(qū)動掺涛，驅(qū)動轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)端
switch ((uint32_t)cmd) {
case BR_TRANSACTION:{
//服務(wù)端收到BR_TRANSACTION指令
binder_transaction_data tr;
//讀出客戶端請求的參數(shù)
result = mIn.read(&tr, sizeof(tr));
//準備數(shù)據(jù)，向上傳給Java層
Parcel buffer; Parcel reply;
buffer.ipcSetDataReference(...);
//cookie保存的是binder實體疼进，對應(yīng)服務(wù)端的native層對象就是BBinder
reinterpret_cast<BBinder*>(tr.cookie)->transact(tr.code, buffer,
&reply, tr.flags);
//服務(wù)端向驅(qū)動寫返回值薪缆，讓驅(qū)動轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端
sendReply(reply, 0);
}
}
}
//1.3 服務(wù)端向驅(qū)動寫返回值，讓驅(qū)動轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端
status_t IPCThreadState::sendReply(const Parcel& reply, uint32_t flags){
err = writeTransactionData(BC_REPLY, flags, -1, 0, reply, &statusBuffer);
//服務(wù)端返回結(jié)果給客戶端就行伞广，不用等待客戶端拣帽，所以傳NULL
return waitForResponse(NULL, NULL);
}
然后看下BBinder的transact是怎么向上傳遞到Java層的，在Binder.cpp中嚼锄，
//Binder.cpp
status_t BBinder::transact(uint32_t code, const Parcel& data,
Parcel* reply, uint32_t flags){
switch (code) {
//ping指令用來判斷連通性减拭，即binder句柄是否還活著
case PING_TRANSACTION:
reply->writeInt32(pingBinder());
break;
default:
//看這，通過JNI調(diào)用到Java層的execTransact区丑，見1.1
err = onTransact(code, data, reply, flags);
break;
}
return err;
}
//android_util_Binder.cpp
//1.1 通過JNI調(diào)用到Java層的execTransact
virtual status_t onTransact(...){
JNIEnv* env = javavm_to_jnienv(mVM);
jboolean res = env->CallBooleanMethod(mObject, gBinderOffsets.mExecTransact, ...);
}
回到Java層拧粪，execTransact如下：
//android.os.Binder.java
private boolean execTransact(...) {
res = onTransact(code, data, reply, flags);
}
至此就回調(diào)到了示例代碼中服務(wù)端MyBinder的onTransact了，我們在示例中處理請求參數(shù)data和返回值reply沧侥，最后由native層的sendReply(reply, 0)真正向驅(qū)動寫返回值可霎，讓驅(qū)動轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端。
將調(diào)用代碼和流程圖結(jié)合起來：
然后是指令交互圖（非one way模式）：
binder同步調(diào)用等到服務(wù)端的BR_REPLY指令后就真正結(jié)束宴杀，服務(wù)端則繼續(xù)循環(huán)癣朗，等待下一次請求。
總結(jié)
本文主要介紹了Binder的背景和調(diào)用流程旺罢，將留下3個疑問繼續(xù)探討斯棒。
- binder句柄是怎么傳輸和管理的（binder驅(qū)動和ServiceManager進程）
- binder句柄的
遠程轉(zhuǎn)本地 - one way異步模式和他的串行調(diào)用（async_todo）、同步模式的并行調(diào)用
系列文章：
細節(jié)補充
Binder為什么高效
Linux用戶空間是無法直接讀寫磁盤的主经，系統(tǒng)所有的資源管理（讀寫磁盤文件、分配回收內(nèi)存庭惜、從網(wǎng)絡(luò)接口讀寫數(shù)據(jù)）都是在內(nèi)核空間完成的罩驻，用戶空間需要通過系統(tǒng)調(diào)用讓內(nèi)核空間完成這些功能。
傳統(tǒng)IPC傳輸數(shù)據(jù)：發(fā)送進程需要copy_from_user從用戶到內(nèi)核护赊，接收進程再copy_to_uer從內(nèi)核到用戶惠遏，兩次拷貝砾跃。
而Binder傳輸數(shù)據(jù)：用mmap將binder內(nèi)核空間的虛擬內(nèi)存和用戶空間的虛擬內(nèi)存映射到同一塊物理內(nèi)存。copy_from_user將數(shù)據(jù)從發(fā)送進程的用戶空間拷貝到接收進程的內(nèi)核空間（一次拷貝）节吮，接收進程通過映射關(guān)系能直接在用戶空間讀取內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)抽高。
（圖片來源：「寫給Android應(yīng)用工程師的Binder原理剖析」）
Binder為什么不用shm
shm通常需要結(jié)合其他跨進程方式如信號量來同步信息，使用沒有mmap方便透绩。
提問
- 上期提問： SurfaceFlinger進程為什么不是通過Zygote進程的fork創(chuàng)建翘骂，而是由init進程創(chuàng)建？
參考資料
- 書籍 - Android系統(tǒng)源代碼情景分析
- 博客 - 王小二的Android站
- 博客 - 寫給Android應(yīng)用工程師的Binder原理剖析
- 博客 - Binder傳輸機制篇_中
- 博客 - 共享內(nèi)存和文件內(nèi)存映射的區(qū)別
