轉(zhuǎn)自一篇文章了解相見恨晚的 Android Binder 進(jìn)程間通訊機(jī)制

Android-Binder進(jìn)程間通訊機(jī)制

概述

最近在學(xué)習(xí)Binder機(jī)制旱易，在網(wǎng)上查閱了大量的資料藕筋，也看了老羅的Binder系列的博客和Innost的深入理解Binder系列的博客宝当，都是從底層開始講的筐高，全是C代碼饲梭，雖然之前學(xué)過C和C++，然而各種函數(shù)之間花式跳轉(zhuǎn)堤舒，看的我都懷疑人生椎椰。毫不夸張的講每看一遍都是新的內(nèi)容，跟沒看過一樣蜘澜。后來又看到了Gityuan的博客看到了一些圖解仿佛發(fā)現(xiàn)了新大陸施流。

下面就以圖解的方式介紹下Binder機(jī)制，相信你看這篇文章鄙信，一定有所收獲瞪醋。

什么是 Binder？

Binder是Android系統(tǒng)中進(jìn)程間通訊（IPC）的一種方式装诡，也是Android系統(tǒng)中最重要的特性之一银受。Android中的四大組件Activity，Service慎王，Broadcast蚓土，ContentProvider，不同的App等都運(yùn)行在不同的進(jìn)程中赖淤，它是這些進(jìn)程間通訊的橋梁蜀漆。正如其名“粘合劑”一樣，它把系統(tǒng)中各個(gè)組件粘合到了一起咱旱，是各個(gè)組件的橋梁确丢。

理解Binder對(duì)于理解整個(gè)Android系統(tǒng)有著非常重要的作用，如果對(duì)Binder不了解吐限，就很難對(duì)Android系統(tǒng)機(jī)制有更深入的理解鲜侥。

1. Binder 架構(gòu)

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• Binder 通信采用 C/S 架構(gòu)，從組件視角來說诸典，包含 Client描函、 Server、 ServiceManager 以及 Binder 驅(qū)動(dòng)，其中 ServiceManager 用于管理系統(tǒng)中的各種服務(wù)舀寓。
• Binder 在 framework 層進(jìn)行了封裝胆数，通過 JNI 技術(shù)調(diào)用 Native（C/C++）層的 Binder 架構(gòu)。
• Binder 在 Native 層以 ioctl 的方式與 Binder 驅(qū)動(dòng)通訊互墓。

2. Binder 機(jī)制

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• 首先需要注冊(cè)服務(wù)端必尼，只有注冊(cè)了服務(wù)端，客戶端才有通訊的目標(biāo)篡撵，服務(wù)端通過 ServiceManager 注冊(cè)服務(wù)判莉，注冊(cè)的過程就是向 Binder 驅(qū)動(dòng)的全局鏈表 binder_procs 中插入服務(wù)端的信息（binder_proc 結(jié)構(gòu)體，每個(gè) binder_proc 結(jié)構(gòu)體中都有 todo 任務(wù)隊(duì)列）育谬，然后向 ServiceManager 的 svcinfo 列表中緩存一下注冊(cè)的服務(wù)券盅。

• 有了服務(wù)端，客戶端就可以跟服務(wù)端通訊了斑司，通訊之前需要先獲取到服務(wù)渗饮，拿到服務(wù)的代理但汞，也可以理解為引用宿刮。比如下面的代碼：

  //獲取WindowManager服務(wù)引用
  WindowManager wm = (WindowManager)getSystemService(getApplication().WINDOW_SERVICE);
  

  獲取服務(wù)端的方式就是通過 ServiceManager 向 svcinfo 列表中查詢一下返回服務(wù)端的代理，svcinfo 列表就是所有已注冊(cè)服務(wù)的通訊錄私蕾，保存了所有注冊(cè)的服務(wù)信息僵缺。

• 有了服務(wù)端的引用我們就可以向服務(wù)端發(fā)送請(qǐng)求了，通過 BinderProxy 將我們的請(qǐng)求參數(shù)發(fā)送給 ServiceManager踩叭，通過共享內(nèi)存的方式使用內(nèi)核方法 copy_from_user() 將我們的參數(shù)先拷貝到內(nèi)核空間磕潮，這時(shí)我們的客戶端進(jìn)入等待狀態(tài)，然后 Binder 驅(qū)動(dòng)向服務(wù)端的 todo 隊(duì)列里面插入一條事務(wù)容贝，執(zhí)行完之后把執(zhí)行結(jié)果通過 copy_to_user() 將內(nèi)核的結(jié)果拷貝到用戶空間（這里只是執(zhí)行了拷貝命令自脯，并沒有拷貝數(shù)據(jù)，binder只進(jìn)行一次拷貝）斤富，喚醒等待的客戶端并把結(jié)果響應(yīng)回來膏潮，這樣就完成了一次通訊。

怎么樣是不是很簡(jiǎn)單满力，以上就是 Binder 機(jī)制的主要通訊方式焕参，下面我們來看看具體實(shí)現(xiàn)。

3. Binder 驅(qū)動(dòng)

我們先來了解下用戶空間與內(nèi)核空間是怎么交互的油额。

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先了解一些概念

用戶空間/內(nèi)核空間

詳細(xì)解釋可以參考 Kernel Space Definition叠纷； 簡(jiǎn)單理解如下：

Kernel space 是 Linux 內(nèi)核的運(yùn)行空間，User space 是用戶程序的運(yùn)行空間潦嘶。 為了安全涩嚣，它們是隔離的，即使用戶的程序崩潰了，內(nèi)核也不受影響航厚。

Kernel space 可以執(zhí)行任意命令校摩，調(diào)用系統(tǒng)的一切資源； User space 只能執(zhí)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算阶淘，不能直接調(diào)用系統(tǒng)資源衙吩，必須通過系統(tǒng)接口（又稱 system call），才能向內(nèi)核發(fā)出指令溪窒。

系統(tǒng)調(diào)用/內(nèi)核態(tài)/用戶態(tài)

雖然從邏輯上抽離出用戶空間和內(nèi)核空間坤塞；但是不可避免的的是，總有那么一些用戶空間需要訪問內(nèi)核的資源澈蚌；比如應(yīng)用程序訪問文件摹芙，網(wǎng)絡(luò)是很常見的事情，怎么辦呢宛瞄？

Kernel space can be accessed by user processes only through the use of system calls.

用戶空間訪問內(nèi)核空間的唯一方式就是系統(tǒng)調(diào)用浮禾；通過這個(gè)統(tǒng)一入口接口，所有的資源訪問都是在內(nèi)核的控制下執(zhí)行份汗，以免導(dǎo)致對(duì)用戶程序?qū)ο到y(tǒng)資源的越權(quán)訪問盈电，從而保障了系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。用戶軟件良莠不齊杯活，要是它們亂搞把系統(tǒng)玩壞了怎么辦匆帚？因此對(duì)于某些特權(quán)操作必須交給安全可靠的內(nèi)核來執(zhí)行。

當(dāng)一個(gè)任務(wù)（進(jìn)程）執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用而陷入內(nèi)核代碼中執(zhí)行時(shí)旁钧，我們就稱進(jìn)程處于內(nèi)核運(yùn)行態(tài)（或簡(jiǎn)稱為內(nèi)核態(tài)）此時(shí)處理器處于特權(quán)級(jí)最高的（0級(jí)）內(nèi)核代碼中執(zhí)行吸重。當(dāng)進(jìn)程在執(zhí)行用戶自己的代碼時(shí)，則稱其處于用戶運(yùn)行態(tài)（用戶態(tài)）歪今。即此時(shí)處理器在特權(quán)級(jí)最低的（3級(jí)）用戶代碼中運(yùn)行嚎幸。處理器在特權(quán)等級(jí)高的時(shí)候才能執(zhí)行那些特權(quán)CPU指令。

內(nèi)核模塊/驅(qū)動(dòng)

通過系統(tǒng)調(diào)用寄猩，用戶空間可以訪問內(nèi)核空間嫉晶，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？很自然想到的是讓操作系統(tǒng)內(nèi)核添加支持焦影；傳統(tǒng)的 Linux 通信機(jī)制车遂，比如 Socket，管道等都是內(nèi)核支持的斯辰；但是 Binder 并不是 Linux 內(nèi)核的一部分舶担，它是怎么做到訪問內(nèi)核空間的呢？ Linux 的動(dòng)態(tài)可加載內(nèi)核模塊（Loadable Kernel Module彬呻，LKM）機(jī)制解決了這個(gè)問題衣陶；模塊是具有獨(dú)立功能的程序柄瑰，它可以被單獨(dú)編譯，但不能獨(dú)立運(yùn)行剪况。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)行教沾。這樣，Android系統(tǒng)可以通過添加一個(gè)內(nèi)核模塊運(yùn)行在內(nèi)核空間译断，用戶進(jìn)程之間的通過這個(gè)模塊作為橋梁授翻，就可以完成通信了。

在 Android 系統(tǒng)中孙咪，這個(gè)運(yùn)行在內(nèi)核空間的堪唐，負(fù)責(zé)各個(gè)用戶進(jìn)程通過 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），是一種可以使計(jì)算機(jī)和設(shè)備通信的特殊程序翎蹈。相當(dāng)于硬件的接口淮菠，操作系統(tǒng)只有通過這個(gè)接口，才能控制硬件設(shè)備的工作荤堪；

驅(qū)動(dòng)就是操作硬件的接口合陵，為了支持Binder通信過程，Binder 使用了一種“硬件”澄阳，因此這個(gè)模塊被稱之為驅(qū)動(dòng)拥知。

熟悉了上面這些概念，我們?cè)賮砜聪律厦娴膱D寇荧，用戶空間中 binder_open(), binder_mmap(), binder_ioctl() 這些方法通過 system call 來調(diào)用內(nèi)核空間 Binder 驅(qū)動(dòng)中的方法举庶。內(nèi)核空間與用戶空間共享內(nèi)存通過 copy_from_user(), copy_to_user() 內(nèi)核方法來完成用戶空間與內(nèi)核空間內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸执隧。 Binder驅(qū)動(dòng)中有一個(gè)全局的 binder_procs 鏈表保存了服務(wù)端的進(jìn)程信息揩抡。

4. Binder 進(jìn)程與線程

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對(duì)于底層Binder驅(qū)動(dòng)，通過 binder_procs 鏈表記錄所有創(chuàng)建的 binder_proc 結(jié)構(gòu)體镀琉，binder 驅(qū)動(dòng)層的每一個(gè) binder_proc 結(jié)構(gòu)體都與用戶空間的一個(gè)用于 binder 通信的進(jìn)程一一對(duì)應(yīng)峦嗤，且每個(gè)進(jìn)程有且只有一個(gè) ProcessState 對(duì)象，這是通過單例模式來保證的屋摔。在每個(gè)進(jìn)程中可以有很多個(gè)線程烁设，每個(gè)線程對(duì)應(yīng)一個(gè) IPCThreadState 對(duì)象，IPCThreadState 對(duì)象也是單例模式钓试，即一個(gè)線程對(duì)應(yīng)一個(gè) IPCThreadState 對(duì)象装黑，在 Binder 驅(qū)動(dòng)層也有與之相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，那就是 Binder_thread 結(jié)構(gòu)體弓熏。在 binder_proc 結(jié)構(gòu)體中通過成員變量 rb_root threads恋谭，來記錄當(dāng)前進(jìn)程內(nèi)所有的 binder_thread。

Binder 線程池：每個(gè) Server 進(jìn)程在啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建一個(gè) binder 線程池挽鞠，并向其中注冊(cè)一個(gè) Binder 線程疚颊；之后 Server 進(jìn)程也可以向 binder 線程池注冊(cè)新的線程狈孔，或者 Binder 驅(qū)動(dòng)在探測(cè)到?jīng)]有空閑 binder 線程時(shí)主動(dòng)向 Server 進(jìn)程注冊(cè)新的的 binder 線程。對(duì)于一個(gè) Server 進(jìn)程有一個(gè)最大 Binder 線程數(shù)限制材义，默認(rèn)為16個(gè) binder 線程均抽，例如 Android 的 system_server 進(jìn)程就存在16個(gè)線程。對(duì)于所有 Client 端進(jìn)程的 binder 請(qǐng)求都是交由 Server 端進(jìn)程的 binder 線程來處理的其掂。

5. ServiceManager 啟動(dòng)

了解了 Binder 驅(qū)動(dòng)油挥，怎么與 Binder 驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通訊呢？那就是通過 ServiceManager款熬，好多文章稱 ServiceManager 是 Binder 驅(qū)動(dòng)的守護(hù)進(jìn)程喘漏，大管家，其實(shí) ServiceManager 的作用很簡(jiǎn)單就是提供了查詢服務(wù)和注冊(cè)服務(wù)的功能华烟。下面我們來看一下 ServiceManager 啟動(dòng)的過程翩迈。

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• ServiceManager 分為 framework 層和 native 層，framework 層只是對(duì) native 層進(jìn)行了封裝方便調(diào)用盔夜，圖上展示的是 native 層的 ServiceManager 啟動(dòng)過程负饲。

• ServiceManager 的啟動(dòng)是系統(tǒng)在開機(jī)時(shí)，init 進(jìn)程解析 init.rc 文件調(diào)用 service_manager.c 中的 main() 方法入口啟動(dòng)的喂链。 native 層有一個(gè) binder.c 封裝了一些與 Binder 驅(qū)動(dòng)交互的方法返十。

• ServiceManager 的啟動(dòng)分為三步，首先打開驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建全局鏈表 binder_procs椭微，然后將自己當(dāng)前進(jìn)程信息保存到 binder_procs 鏈表洞坑，最后開啟 loop 不斷的處理共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，并處理 BR_xxx 命令（ioctl 的命令蝇率，BR 可以理解為 binder reply 驅(qū)動(dòng)處理完的響應(yīng)）迟杂。

6. ServiceManager 注冊(cè)服務(wù)

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• 注冊(cè) MediaPlayerService 服務(wù)端，我們通過 ServiceManager 的 addService() 方法來注冊(cè)服務(wù)本慕。

• 首先 ServiceManager 向 Binder 驅(qū)動(dòng)發(fā)送 BC_TRANSACTION 命令（ioctl 的命令排拷，BC 可以理解為 binder client 客戶端發(fā)過來的請(qǐng)求命令）攜帶 ADD_SERVICE_TRANSACTION 命令，同時(shí)注冊(cè)服務(wù)的線程進(jìn)入等待狀態(tài) waitForResponse()锅尘。 Binder 驅(qū)動(dòng)收到請(qǐng)求命令向 ServiceManager 的 todo 隊(duì)列里面添加一條注冊(cè)服務(wù)的事務(wù)监氢。事務(wù)的任務(wù)就是創(chuàng)建服務(wù)端進(jìn)程 binder_node 信息并插入到 binder_procs 鏈表中。

• 事務(wù)處理完之后發(fā)送 BR_TRANSACTION 命令藤违，ServiceManager 收到命令后向 svcinfo 列表中添加已經(jīng)注冊(cè)的服務(wù)浪腐。最后發(fā)送 BR_REPLY 命令喚醒等待的線程，通知注冊(cè)成功顿乒。

7. ServiceManager 獲取服務(wù)

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• 獲取服務(wù)的過程與注冊(cè)類似议街，相反的過程。通過 ServiceManager 的 getService() 方法來注冊(cè)服務(wù)淆游。

• 首先 ServiceManager 向 Binder 驅(qū)動(dòng)發(fā)送 BC_TRANSACTION 命令攜帶 CHECK_SERVICE_TRANSACTION 命令傍睹，同時(shí)獲取服務(wù)的線程進(jìn)入等待狀態(tài) waitForResponse()隔盛。

• Binder 驅(qū)動(dòng)收到請(qǐng)求命令向 ServiceManager 的發(fā)送 BC_TRANSACTION 查詢已注冊(cè)的服務(wù)，查詢到直接響應(yīng) BR_REPLY 喚醒等待的線程拾稳。若查詢不到將與 binder_procs 鏈表中的服務(wù)進(jìn)行一次通訊再響應(yīng)吮炕。

8. 進(jìn)行一次完整通訊

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• 我們?cè)谑褂?Binder 時(shí)基本都是調(diào)用 framework 層封裝好的方法，AIDL 就是 framework 層提供的傻瓜式是使用方式访得。假設(shè)服務(wù)已經(jīng)注冊(cè)完龙亲，我們來看看客戶端怎么執(zhí)行服務(wù)端的方法。

• 首先我們通過 ServiceManager 獲取到服務(wù)端的 BinderProxy 代理對(duì)象悍抑，通過調(diào)用 BinderProxy 將參數(shù)鳄炉，方法標(biāo)識(shí)（例如：TRANSACTION_test，AIDL中自動(dòng)生成）傳給 ServiceManager搜骡，同時(shí)客戶端線程進(jìn)入等待狀態(tài)拂盯。

• ServiceManager 將用戶空間的參數(shù)等請(qǐng)求數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)核空間，并向服務(wù)端插入一條執(zhí)行執(zhí)行方法的事務(wù)记靡。事務(wù)執(zhí)行完通知 ServiceManager 將執(zhí)行結(jié)果從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間谈竿，并喚醒等待的線程，響應(yīng)結(jié)果摸吠，通訊結(jié)束空凸。

總結(jié)

好了，這里只是從實(shí)現(xiàn)邏輯上簡(jiǎn)單介紹了下 Binder 機(jī)制的工作原理寸痢，想要深入理解 Binder 機(jī)制呀洲，還得自己下功夫，看源碼啼止，盡管這個(gè)過程很痛苦道逗。一遍看不懂就再來一遍，說實(shí)話本人理解能力比較差族壳，跟著博客思路看了不下十遍憔辫。努力總會(huì)有收獲，好好欣賞 native 層各方法之間花式跳轉(zhuǎn)的魅力吧仿荆。最后你將發(fā)現(xiàn)新世界的大門在向你敞開。