淺談Android進(jìn)程間通訊（Binder）

進(jìn)程間通訊IPC不是Android中所特有的感憾，任何一個(gè)操作系統(tǒng)需要相應(yīng)的IPC機(jī)制膘婶。理解Binder對(duì)于理解整個(gè)Android系統(tǒng)有著非常重要的作用折汞，Android系統(tǒng)的四大組件会放，AMS，PMS等系統(tǒng)服務(wù)無(wú)一不與Binder掛鉤诫隅。
本文主要從以下幾個(gè)方面講解Binder：

• linux進(jìn)程間通信相關(guān)背景知識(shí)
• 圖解Binder通信模型
• Java層的Binder
• AIDL使用詳解
• serverManager進(jìn)程與client進(jìn)程或server進(jìn)程的交互

1. linux進(jìn)程間通信相關(guān)知識(shí)

linux進(jìn)程模型.png

進(jìn)程隔離

進(jìn)程隔離是為保護(hù)操作系統(tǒng)中進(jìn)程互不干擾而設(shè)計(jì)的一組不同硬件和軟件的技術(shù)腐魂。這個(gè)技術(shù)是為了避免進(jìn)程A寫入進(jìn)程B的情況發(fā)生。 進(jìn)程的隔離實(shí)現(xiàn)逐纬，使用了虛擬地址空間蛔屹。進(jìn)程A的虛擬地址和進(jìn)程B的虛擬地址不同，這樣就防止進(jìn)程A將數(shù)據(jù)信息寫入進(jìn)程B豁生。

用戶空間/內(nèi)核空間

Linux Kernel 是操作系統(tǒng)的核心兔毒，獨(dú)立于普通的應(yīng)用程序，可以訪問(wèn)受保護(hù)的內(nèi)存空間甸箱，也有訪問(wèn)底層硬件設(shè)備的所有權(quán)限育叁。

對(duì)于Kernel這么一個(gè)高安全級(jí)別的東西，顯然是不容許其它的應(yīng)用程序隨便調(diào)用或訪問(wèn)的芍殖，所以需要對(duì)Kernel提供一定的保護(hù)機(jī)制擂红，這個(gè)保護(hù)機(jī)制用來(lái)告訴那些應(yīng)用程序，你只可以訪問(wèn)某些許可的資源围小，不許可的資源是拒絕被訪問(wèn)的昵骤，于是就把Kernel和上層的應(yīng)用程序抽像的隔離開(kāi)，分別稱之為Kernel Space和User Space肯适。

內(nèi)核模塊/驅(qū)動(dòng)

通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用变秦，用戶空間可以訪問(wèn)內(nèi)核空間，那么如果一個(gè)用戶空間想與另外一個(gè)用戶空間進(jìn)行通信怎么辦呢框舔？很自然想到的是讓操作系統(tǒng)內(nèi)核添加支持蹦玫；傳統(tǒng)的Linux通信機(jī)制赎婚，比如Socket，管道等都是內(nèi)核支持的樱溉；但是Binder并不是Linux內(nèi)核的一部分挣输，它是怎么做到訪問(wèn)內(nèi)核空間的呢？Linux的動(dòng)態(tài)可加載內(nèi)核模塊（Loadable Kernel Module福贞，LKM）機(jī)制解決了這個(gè)問(wèn)題撩嚼；模塊是具有獨(dú)立功能的程序，它可以被單獨(dú)編譯挖帘，但不能獨(dú)立運(yùn)行完丽。它在運(yùn)行時(shí)被鏈接到內(nèi)核作為內(nèi)核的一部分在內(nèi)核空間運(yùn)行。這樣拇舀，Android系統(tǒng)可以通過(guò)添加一個(gè)內(nèi)核模塊運(yùn)行在內(nèi)核空間逻族，用戶進(jìn)程之間的通過(guò)這個(gè)模塊作為橋梁，就可以完成通信了骄崩。

在Android系統(tǒng)中聘鳞，這個(gè)運(yùn)行在內(nèi)核空間的，負(fù)責(zé)各個(gè)用戶進(jìn)程通過(guò)Binder通信的內(nèi)核模塊叫做Binder驅(qū)動(dòng);

驅(qū)動(dòng)程序一般指的是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（Device Driver）要拂，是一種可以使計(jì)算機(jī)和設(shè)備通信的特殊程序抠璃。相當(dāng)于硬件的接口，操作系統(tǒng)只有通過(guò)這個(gè)接口宇弛，才能控制硬件設(shè)備的工作鸡典；

驅(qū)動(dòng)就是操作硬件的接口源请，為了支持Binder通信過(guò)程枪芒，Binder使用了一種“硬件”，因此這個(gè)模塊被稱之為驅(qū)動(dòng)

2. Binder通信模型

binder-model.png

其中Server谁尸，Client舅踪，SMgr運(yùn)行于用戶空間，驅(qū)動(dòng)運(yùn)行于內(nèi)核空間良蛮。

整個(gè)通信步驟如下：

I. SM建立(建立通信錄)抽碌；首先有一個(gè)進(jìn)程向驅(qū)動(dòng)提出申請(qǐng)為SM；驅(qū)動(dòng)同意之后决瞳，SM進(jìn)程負(fù)責(zé)管理Service（注意這里是Service而不是Server货徙，因?yàn)槿绻ㄐ胚^(guò)程反過(guò)來(lái)的話，那么原來(lái)的客戶端Client也會(huì)成為服務(wù)端Server）不過(guò)這時(shí)候通信錄還是空的皮胡，一個(gè)號(hào)碼都沒(méi)有痴颊。

II. 各個(gè)Server向SM注冊(cè)(完善通信錄)；每個(gè)Server端進(jìn)程啟動(dòng)之后屡贺，向SM報(bào)告蠢棱，我是zhangsan, 要找我請(qǐng)返回0x1234(這個(gè)地址沒(méi)有實(shí)際意義锌杀，類比)；其他Server進(jìn)程依次如此泻仙；這樣SM就建立了一張表糕再，對(duì)應(yīng)著各個(gè)Server的名字和地址；就好比B與A見(jiàn)面了玉转，說(shuō)存?zhèn)€我的號(hào)碼吧吟宦，以后找我撥打10086牍疏；

III. Client想要與Server通信，首先詢問(wèn)SM；請(qǐng)告訴我如何聯(lián)系z(mì)hangsan舰蟆，SM收到后給他一個(gè)號(hào)碼0x1234；Client收到之后声滥，開(kāi)心滴用這個(gè)號(hào)碼撥通了Server的電話呜叫，于是就開(kāi)始通信了。

binder-procedure.png

Binder驅(qū)動(dòng)保存了每一個(gè)跨越進(jìn)程的Binder對(duì)象的相關(guān)信息怠李；在驅(qū)動(dòng)中圾叼，Binder本地對(duì)象的代表是一個(gè)叫做binder_node的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，
Binder代理對(duì)象是用binder_ref代表的捺癞。

3. java層Binder

1. AIDL過(guò)程分析

首先server端的aidl接口

interface IBookManager {
    List<Book> getBookList();
    void addBook(in Book book);
    void registerListener(in OnNewBookArrivedListener onNewBookArrivedListener);
    void unregisterListener(in OnNewBookArrivedListener onNewBookArrivedListener);
}

編譯之后系統(tǒng)生成IBookManager

package com.chehejia.aidlserver;

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

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

        /**
         * Cast an IBinder object into an com.chehejia.aidlserver.IBookManager interface,
         * generating a proxy if needed.
         */
        public static com.chehejia.aidlserver.IBookManager asInterface(android.os.IBinder obj) {
            if ((obj == null)) {
                return null;
            }
            android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);
            if (((iin != null) && (iin instanceof com.chehejia.aidlserver.IBookManager))) {
                return ((com.chehejia.aidlserver.IBookManager) iin);
            }
            return new com.chehejia.aidlserver.IBookManager.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_getBookList: {
                    data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
                    java.util.List<com.chehejia.aidlserver.Book> _result = this.getBookList();
                    reply.writeNoException();
                    reply.writeTypedList(_result);
                    return true;
                }
                case TRANSACTION_addBook: {
                    data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
                    com.chehejia.aidlserver.Book _arg0;
                    if ((0 != data.readInt())) {
                        _arg0 = com.chehejia.aidlserver.Book.CREATOR.createFromParcel(data);
                    } else {
                        _arg0 = null;
                    }
                    this.addBook(_arg0);
                    reply.writeNoException();
                    return true;
                }
                case TRANSACTION_registerListener: {
                    data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
                    com.chehejia.aidlserver.OnNewBookArrivedListener _arg0;
                    _arg0 = com.chehejia.aidlserver.OnNewBookArrivedListener.Stub.asInterface(data.readStrongBinder());
                    this.registerListener(_arg0);
                    reply.writeNoException();
                    return true;
                }
                case TRANSACTION_unregisterListener: {
                    data.enforceInterface(DESCRIPTOR);
                    com.chehejia.aidlserver.OnNewBookArrivedListener _arg0;
                    _arg0 = com.chehejia.aidlserver.OnNewBookArrivedListener.Stub.asInterface(data.readStrongBinder());
                    this.unregisterListener(_arg0);
                    reply.writeNoException();
                    return true;
                }
            }
            return super.onTransact(code, data, reply, flags);
        }

        private static class Proxy implements com.chehejia.aidlserver.IBookManager {
            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;
            }

            @Override
            public java.util.List<com.chehejia.aidlserver.Book> getBookList() throws android.os.RemoteException {
                android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
                android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
                java.util.List<com.chehejia.aidlserver.Book> _result;
                try {
                    _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
                    mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_getBookList, _data, _reply, 0);
                    _reply.readException();
                    _result = _reply.createTypedArrayList(com.chehejia.aidlserver.Book.CREATOR);
                } finally {
                    _reply.recycle();
                    _data.recycle();
                }
                return _result;
            }

            @Override
            public void addBook(com.chehejia.aidlserver.Book book) throws android.os.RemoteException {
                android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
                android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
                try {
                    _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
                    if ((book != null)) {
                        _data.writeInt(1);
                        book.writeToParcel(_data, 0);
                    } else {
                        _data.writeInt(0);
                    }
                    mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_addBook, _data, _reply, 0);
                    _reply.readException();
                } finally {
                    _reply.recycle();
                    _data.recycle();
                }
            }

            @Override
            public void registerListener(com.chehejia.aidlserver.OnNewBookArrivedListener onNewBookArrivedListener) throws android.os.RemoteException {
                android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
                android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
                try {
                    _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
                    _data.writeStrongBinder((((onNewBookArrivedListener != null)) ? (onNewBookArrivedListener.asBinder()) : (null)));
                    mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_registerListener, _data, _reply, 0);
                    _reply.readException();
                } finally {
                    _reply.recycle();
                    _data.recycle();
                }
            }

            @Override
            public void unregisterListener(com.chehejia.aidlserver.OnNewBookArrivedListener onNewBookArrivedListener) throws android.os.RemoteException {
                android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
                android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
                try {
                    _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
                    _data.writeStrongBinder((((onNewBookArrivedListener != null)) ? (onNewBookArrivedListener.asBinder()) : (null)));
                    mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_unregisterListener, _data, _reply, 0);
                    _reply.readException();
                } finally {
                    _reply.recycle();
                    _data.recycle();
                }
            }
        }

        static final int TRANSACTION_getBookList = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0);
        static final int TRANSACTION_addBook = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 1);
        static final int TRANSACTION_registerListener = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 2);
        static final int TRANSACTION_unregisterListener = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 3);
    }

    public java.util.List<com.chehejia.aidlserver.Book> getBookList() throws android.os.RemoteException;

    public void addBook(com.chehejia.aidlserver.Book book) throws android.os.RemoteException;

    public void registerListener(com.chehejia.aidlserver.OnNewBookArrivedListener onNewBookArrivedListener) throws android.os.RemoteException;

    public void unregisterListener(com.chehejia.aidlserver.OnNewBookArrivedListener onNewBookArrivedListener) throws android.os.RemoteException;
}

2. IBinder/IInterface/Binder/BinderProxy/Stub總結(jié)

• IBinder是一個(gè)接口夷蚊，它代表了一種跨進(jìn)程傳輸?shù)哪芰Γ恢灰獙?shí)現(xiàn)了這個(gè)接口髓介，就能將這個(gè)對(duì)象進(jìn)行跨進(jìn)程傳遞惕鼓；這是驅(qū)動(dòng)底層支持的；在跨進(jìn)程數(shù)據(jù)流經(jīng)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候唐础，驅(qū)動(dòng)會(huì)識(shí)別IBinder類型的數(shù)據(jù)箱歧，從而自動(dòng)完成不同進(jìn)程Binder本地對(duì)象以及Binder代理對(duì)象的轉(zhuǎn)換。

• IBinder負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸一膨，那么client與server端的調(diào)用契約（這里不用接口避免混淆）呢呀邢？這里的IInterface代表就是遠(yuǎn)程server對(duì)象具有什么能力。具體來(lái)說(shuō)豹绪，就是aidl里面的接口价淌。

• Java層的Binder類，代表的其實(shí)就是Binder本地對(duì)象瞒津。BinderProxy類是Binder類的一個(gè)內(nèi)部類蝉衣，它代表遠(yuǎn)程進(jìn)程的Binder對(duì)象的本地代理；這兩個(gè)類都繼承自IBinder, 因而都具有跨進(jìn)程傳輸?shù)哪芰ο矧剑粚?shí)際上病毡，在跨越進(jìn)程的時(shí)候，Binder驅(qū)動(dòng)會(huì)自動(dòng)完成這兩個(gè)對(duì)象的轉(zhuǎn)換钓辆。

• 在使用AIDL的時(shí)候剪验，編譯工具會(huì)給我們生成一個(gè)Stub的靜態(tài)內(nèi)部類肴焊；這個(gè)類繼承了Binder, 說(shuō)明它是一個(gè)Binder本地對(duì)象，它實(shí)現(xiàn)了IInterface接口功戚，表明它具有遠(yuǎn)程Server承諾給 Client的能力娶眷；Stub是一個(gè)抽象類，具體的IInterface的相關(guān)實(shí)現(xiàn)需要我們手動(dòng)完成啸臀，這里使用了策略模式届宠。

4 AIDL中的注意點(diǎn)

• 客戶端注冊(cè)的listener如果服務(wù)端采用普通list存儲(chǔ)的話，會(huì)造成取消注冊(cè)失敗乘粒。原因是客戶端注冊(cè)的listener經(jīng)過(guò)Binder傳輸?shù)椒?wù)端后豌注，會(huì)在服務(wù)端生成新的listener，導(dǎo)致客戶端注冊(cè)的和解綁的不是同一個(gè)對(duì)象灯萍。那么我們應(yīng)該使用什么方式進(jìn)行取消注冊(cè)的操作呢轧铁？答案是 RemoteCallbackList。

• 客戶端調(diào)用遠(yuǎn)程服務(wù)端的方法旦棉，被調(diào)用的方法運(yùn)行在服務(wù)端的 Binder線程池中齿风，同時(shí)客戶端當(dāng)前調(diào)用線程被掛起，如果服務(wù)端的方法有耗時(shí)的操作绑洛，那么客戶端的調(diào)用線程必須為子線程來(lái)避免ANR救斑。

• Binder可能會(huì)意外的死亡，需要客戶端重新連接服務(wù)真屯。這里有兩種方法脸候，第一種是給Binder設(shè)置DeathRecipient監(jiān)聽(tīng)，binderDied回調(diào)（非UI線程）绑蔫。第二種是onserverDisconnected回調(diào)（UI線程）运沦。

5. ServiceManager與Binder

在Android啟動(dòng)ServiceManager進(jìn)程的時(shí)候，都做了什么事晾匠？

1. 利用BINDER_SET_CONTEXT_MGR命令茶袒，令自己成為上下文管理者梯刚，其實(shí)也就是成為ServiceManager凉馆。
2. 將BINDER_SET_CONTEXT_MGR命令傳給Binder驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，Binder驅(qū)動(dòng)就會(huì)為其在內(nèi)核空間中創(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn)（binder_node）亡资，句柄為0澜共。（0號(hào)引用）在整個(gè)系統(tǒng)中，只會(huì)有一個(gè)binder_context_mgr_node锥腻，所以也只會(huì)有一個(gè)ServiceManager的進(jìn)程嗦董，那么對(duì)ServiceManager的訪問(wèn)，驅(qū)動(dòng)就可以在系統(tǒng)中定義好其句柄瘦黑，也就是 0京革。
3. 進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)奇唤，等待Client的請(qǐng)求到來(lái)。

server進(jìn)程注冊(cè)到serverManager

4. 每一個(gè)提供服務(wù)的Server都會(huì)通過(guò)Binder驅(qū)動(dòng)匹摇，將自身給注冊(cè)到ServiceManager中咬扇。（本質(zhì)上，就是Server們會(huì)將自身作為一個(gè)對(duì)象廊勃，封裝在數(shù)據(jù)包中懈贺，將這些數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)核空間中，由Binder驅(qū)動(dòng)訪問(wèn)坡垫。）
5. Binder驅(qū)動(dòng)讀取數(shù)據(jù)包的時(shí)候梭灿，如果發(fā)現(xiàn)其中有Binder實(shí)體，那么也會(huì)為對(duì)應(yīng)的Binder實(shí)體創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的Binder節(jié)點(diǎn)（BinderNode）冰悠。
6. Binder驅(qū)動(dòng)也會(huì)為這些服務(wù)分配句柄（大于0）堡妒，同時(shí)會(huì)將這些句柄也記錄在Binder驅(qū)動(dòng)中，然后再將這些句柄和名字發(fā)送給ServiceManager溉卓，由ServiceManager來(lái)維護(hù)涕蚤。

Client進(jìn)程與serverManager交互

7. server服務(wù)的名字，加上一個(gè)句柄為 0 的值的诵，封裝為一個(gè)數(shù)據(jù)包万栅，打開(kāi)Binder設(shè)備文件，將這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送給Binder驅(qū)動(dòng)西疤。
8. Binder驅(qū)動(dòng)接收到句柄為0烦粒，就會(huì)將這數(shù)據(jù)包扔給ServiceManager。
9. ServiceManager接收到這個(gè)數(shù)據(jù)包代赁，就會(huì)分析扰她，發(fā)現(xiàn)是要找某個(gè)名字的服務(wù)，于是就找找找芭碍，然后將對(duì)應(yīng)服務(wù)的句柄發(fā)送回來(lái)（某大于0的句柄）徒役。
10. 驅(qū)動(dòng)再server進(jìn)程句柄發(fā)回給Client。
11. Client獲取句柄之后窖壕，就會(huì)再加上想要的服務(wù)忧勿，還有這個(gè)句柄，再發(fā)送給Binder驅(qū)動(dòng)瞻讽，Binder驅(qū)動(dòng)就會(huì)找到對(duì)應(yīng)的句柄鸳吸，然后調(diào)用server進(jìn)程相關(guān)服務(wù)。

Binder詳解.gif

參考
binder學(xué)習(xí)指南