Binder學(xué)習(xí)指南

毫不夸張地說,Binder是Android系統(tǒng)中最重要的特性之一;正如其名“粘合劑”所喻,它是系統(tǒng)間各個(gè)組件的橋梁,Android系統(tǒng)的開放式設(shè)計(jì)也很大程度上得益于這種及其方便的跨進(jìn)程通信機(jī)制。

理解Binder對(duì)于理解整個(gè)Android系統(tǒng)有著非常重要的作用,Android系統(tǒng)的四大組件,AMS,PMS等系統(tǒng)服務(wù)無一不與Binder掛鉤;如果對(duì)Binder不甚了解,那么就很難了解這些系統(tǒng)機(jī)制,從而僅僅浮游與表面,不懂Binder你都不好意思說自己會(huì)Android開發(fā);要深入Android,Binder是必須邁出的一步。

現(xiàn)在網(wǎng)上有不少資料介紹Binder,個(gè)人覺得最好的兩篇如下:

  1. Binder設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
  2. Android進(jìn)程間通信(IPC)機(jī)制Binder簡要介紹和學(xué)習(xí)計(jì)劃系列

其中, 《Binder設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》以一種宏觀的角度解釋了Android系統(tǒng)中的Binder機(jī)制,文章如行云流水;如果對(duì)于Binder有一定的了解再來看著篇文章,有一種打通任督二脈的感覺;每看一次理解就深一層。老羅的系列文章則從系統(tǒng)源碼角度深入分析了Binder的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié);具有很大的參考意義;每當(dāng)對(duì)于Binder細(xì)節(jié)有疑惑,看一看他的書就迎刃而解。

但是遺憾的是,Binder機(jī)制終究不是三言兩語就能解釋清楚的,一上來就扒出源碼很可能深陷細(xì)節(jié)無法自拔,老羅的文章那不是一般的長,如果看不懂強(qiáng)行看很容易睡著;勉強(qiáng)看完還是云里霧里;相反如果直接大談特談Binder的設(shè)計(jì),那么完全就是不知所云;因此上述兩篇文章對(duì)于初學(xué)者并不友好,本文不會(huì)深入源碼細(xì)節(jié),也不會(huì)對(duì)于Binder的設(shè)計(jì)高談闊論;重點(diǎn)如下:

  1. 一些Linux的預(yù)備知識(shí)
  2. Binder到底是什么?
  3. Binder機(jī)制是如何跨進(jìn)程的?
  4. 一次Binder通信的基本流程是什么樣?
  5. 深入理解Java層的Binder

讀完本文,你應(yīng)該對(duì)于Java層的AIDL了如指掌,對(duì)于Binder也會(huì)有一個(gè)大體上的認(rèn)識(shí);再深入學(xué)習(xí)就得靠自己了,本人推薦的Binder學(xué)習(xí)路徑如下:

  1. 先學(xué)會(huì)熟練使用AIDL進(jìn)行跨進(jìn)程通信(簡單來說就是遠(yuǎn)程Service)
  2. 看完本文
  3. 看Android文檔,Parcel, IBinder, Binder等涉及到跨進(jìn)程通信的類
  4. 不依賴AIDL工具,手寫遠(yuǎn)程Service完成跨進(jìn)程通信
  5. 看《Binder設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》
  6. 看老羅的博客或者書(書結(jié)構(gòu)更清晰)
  7. 再看《Binder設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》
  8. 學(xué)習(xí)Linux系統(tǒng)相關(guān)知識(shí);自己看源碼。

背景知識(shí)

為了理解Binder我們先澄清一些概念。為什么需要跨進(jìn)程通信(IPC),怎么做到跨進(jìn)程通信?為什么是Binder?

由于Android系統(tǒng)基于Linux內(nèi)核,因此有必要了解相關(guān)知識(shí)。

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)。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),使用了虛擬地址空間。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。

以上來自維基百科;操作系統(tǒng)的不同進(jìn)程之間,數(shù)據(jù)不共享;對(duì)于每個(gè)進(jìn)程來說,它都天真地以為自己獨(dú)享了整個(gè)系統(tǒng),完全不知道其他進(jìn)程的存在;(有關(guān)虛擬地址,請(qǐng)自行查閱)因此一個(gè)進(jìn)程需要與另外一個(gè)進(jìn)程通信,需要某種系統(tǒng)機(jī)制才能完成。

用戶空間/內(nèi)核空間

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

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

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)用或訪問的,所以需要對(duì)Kernel提供一定的保護(hù)機(jī)制,這個(gè)保護(hù)機(jī)制用來告訴那些應(yīng)用程序,你只可以訪問某些許可的資源,不許可的資源是拒絕被訪問的,于是就把Kernel和上層的應(yīng)用程序抽像的隔離開,分別稱之為Kernel Space和User Space。

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;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;比如應(yīng)用程序訪問文件,網(wǎng)絡(luò)是很常見的事情,怎么辦呢?

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;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,以免導(dǎo)致對(duì)用戶程序?qū)ο到y(tǒng)資源的越權(quán)訪問,從而保障了系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。用戶軟件良莠不齊,要是它們亂搞把系統(tǒng)玩壞了怎么辦?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),我們就稱進(jìn)程處于內(nèi)核運(yùn)行態(tài)(或簡稱為內(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。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))。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。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,用戶空間可以訪問內(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?很自然想到的是讓操作系統(tǒng)內(nèi)核添加支持;傳統(tǒng)的Linux通信機(jī)制,比如Socket,管道等都是內(nèi)核支持的;但是Binder并不是Linux內(nèi)核的一部分,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,LKM)機(jī)制解決了這個(gè)問題;模塊是具有獨(dú)立功能的程序,它可以被單獨(dú)編譯,但不能獨(dú)立運(yùn)行。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,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,用戶進(jìn)程之間的通過這個(gè)模塊作為橋梁,就可以完成通信了。

在Android系統(tǒng)中,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。相當(dāng)于硬件的接口,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;

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

為什么使用Binder?

Android使用的Linux內(nèi)核擁有著非常多的跨進(jìn)程通信機(jī)制,比如管道,System V,Socket等;為什么還需要單獨(dú)搞一個(gè)Binder出來呢?主要有兩點(diǎn),性能和安全。在移動(dòng)設(shè)備上,廣泛地使用跨進(jìn)程通信肯定對(duì)通信機(jī)制本身提出了嚴(yán)格的要求;Binder相對(duì)出傳統(tǒng)的Socket方式,更加高效;另外,傳統(tǒng)的進(jìn)程通信方式對(duì)于通信雙方的身份并沒有做出嚴(yán)格的驗(yàn)證,只有在上層協(xié)議上進(jìn)行架設(shè);比如Socket通信ip地址是客戶端手動(dòng)填入的,都可以進(jìn)行偽造;而Binder機(jī)制從協(xié)議本身就支持對(duì)通信雙方做身份校檢,因而大大提升了安全性。這個(gè)也是Android權(quán)限模型的基礎(chǔ)。

Binder通信模型

對(duì)于跨進(jìn)程通信的雙方,我們姑且叫做Server進(jìn)程(簡稱Server),Client進(jìn)程(簡稱Client);由于進(jìn)程隔離的存在,它們之間沒辦法通過簡單的方式進(jìn)行通信,那么Binder機(jī)制是如何進(jìn)行的呢?

回想一下日常生活中我們通信的過程:假設(shè)A和B要進(jìn)行通信,通信的媒介是打電話(A是Client,B是Server);A要給B打電話,必須知道B的號(hào)碼,這個(gè)號(hào)碼怎么獲取呢?通信錄.

這個(gè)通信錄就是一張表;內(nèi)容大致是:

1 B -> 12345676
2 C -> 12334354

先查閱通信錄,拿到B的號(hào)碼;才能進(jìn)行通信;否則,怎么知道應(yīng)該撥什么號(hào)碼?回想一下古老的電話機(jī),如果A要給B打電話,必須先連接通話中心,說明給我接通B的電話;這時(shí)候通話中心幫他呼叫B;連接建立,就完成了通信。

另外,光有電話和通信錄是不可能完成通信的,沒有基站支持;信息根本無法傳達(dá)。

我們看到,一次電話通信的過程除了通信的雙方還有兩個(gè)隱藏角色:通信錄和基站。Binder通信機(jī)制也是一樣:兩個(gè)運(yùn)行在用戶空間的進(jìn)程要完成通信,必須借助內(nèi)核的幫助,這個(gè)運(yùn)行在內(nèi)核里面的程序叫做Binder驅(qū)動(dòng),它的功能類似于基站;通信錄呢,就是一個(gè)叫做ServiceManager的東西(簡稱SM)

OK,Binder的通信模型就是這么簡單,如下圖:

圖片.png

整個(gè)通信步驟如下:

  1. SM建立(建立通信錄);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,SM進(jìn)程負(fù)責(zé)管理Service(注意這里是Service而不是Server,因?yàn)槿绻ㄐ胚^程反過來的話,那么原來的客戶端Client也會(huì)成為服務(wù)端Server)不過這時(shí)候通信錄還是空的,一個(gè)號(hào)碼都沒有。
  2. 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,向SM報(bào)告,我是zhangsan, 要找我請(qǐng)返回0x1234(這個(gè)地址沒有實(shí)際意義,類比);其他Server進(jìn)程依次如此;這樣SM就建立了一張表,對(duì)應(yīng)著各個(gè)Server的名字和地址;就好比B與A見面了,說存?zhèn)€我的號(hào)碼吧,以后找我撥打10086;
  3. Client想要與Server通信,首先詢問SM;請(qǐng)告訴我如何聯(lián)系z(mì)hangsan,SM收到后給他一個(gè)號(hào)碼0x1234;Client收到之后,開心滴用這個(gè)號(hào)碼撥通了Server的電話,于是就開始通信了。

那么Binder驅(qū)動(dòng)干什么去了呢?這里Client與SM的通信,以及Client與Server的通信,都會(huì)經(jīng)過驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)在背后默默無聞,但是做著最重要的工作。驅(qū)動(dòng)是整個(gè)通信過程的核心,因此完成跨進(jìn)程通信的秘密全部隱藏在驅(qū)動(dòng)里面;這個(gè)我們稍后討論。

OK,上面就是整個(gè)Binder通信的基本模型;做了一個(gè)簡單的類比,當(dāng)然也有一些不恰當(dāng)?shù)牡胤剑?比如通信錄現(xiàn)實(shí)中每個(gè)人都有一個(gè),但是SM整個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè);基站也有很多個(gè),但是驅(qū)動(dòng)只有一個(gè));但是整體上就是這樣的;我們看到其實(shí)整個(gè)通信模型非常簡單。

Binder機(jī)制跨進(jìn)程原理

上文給出了Binder的通信模型,指出了通信過程的四個(gè)角色: Client, Server, SM, driver; 但是我們?nèi)匀徊磺宄?strong>Client到底是如何與Server完成通信的。

兩個(gè)運(yùn)行在用戶空間的進(jìn)程A和進(jìn)程B如何完成通信呢?內(nèi)核可以訪問A和B的所有數(shù)據(jù);所以,最簡單的方式是通過內(nèi)核做中轉(zhuǎn);假設(shè)進(jìn)程A要給進(jìn)程B發(fā)送數(shù)據(jù),那么就先把A的數(shù)據(jù)copy到內(nèi)核空間,然后把內(nèi)核空間對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)copy到B就完成了;用戶空間要操作內(nèi)核空間,需要通過系統(tǒng)調(diào)用;剛好,這里就有兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用:copy_from_user, copy_to_user。

但是,Binder機(jī)制并不是這么干的。講這么一段,是說明進(jìn)程間通信并不是什么神秘的東西。那么,Binder機(jī)制是如何實(shí)現(xiàn)跨進(jìn)程通信的呢?

Binder驅(qū)動(dòng)為我們做了一切。

假設(shè)Client進(jìn)程想要調(diào)用Server進(jìn)程的object對(duì)象的一個(gè)方法add;對(duì)于這個(gè)跨進(jìn)程通信過程,我們來看看Binder機(jī)制是如何做的。 (通信是一個(gè)廣泛的概念,只要一個(gè)進(jìn)程能調(diào)用另外一個(gè)進(jìn)程里面某對(duì)象的方法,那么具體要完成什么通信內(nèi)容就很容易了。)

圖片.png

首先,Server進(jìn)程要向SM注冊(cè);告訴自己是誰,自己有什么能力;在這個(gè)場(chǎng)景就是Server告訴SM,它叫zhangsan,它有一個(gè)object對(duì)象,可以執(zhí)行add 操作;于是SM建立了一張表:zhangsan這個(gè)名字對(duì)應(yīng)進(jìn)程Server;

然后Client向SM查詢:我需要聯(lián)系一個(gè)名字叫做zhangsan的進(jìn)程里面的object對(duì)象;這時(shí)候關(guān)鍵來了:進(jìn)程之間通信的數(shù)據(jù)都會(huì)經(jīng)過運(yùn)行在內(nèi)核空間里面的驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)在數(shù)據(jù)流過的時(shí)候做了一點(diǎn)手腳,它并不會(huì)給Client進(jìn)程返回一個(gè)真正的object對(duì)象,而是返回一個(gè)看起來跟object一模一樣的代理對(duì)象objectProxy,這個(gè)objectProxy也有一個(gè)add方法,但是這個(gè)add方法沒有Server進(jìn)程里面object對(duì)象的add方法那個(gè)能力;objectProxyadd只是一個(gè)傀儡,它唯一做的事情就是把參數(shù)包裝然后交給驅(qū)動(dòng)。(這里我們簡化了SM的流程,見下文)

但是Client進(jìn)程并不知道驅(qū)動(dòng)返回給它的對(duì)象動(dòng)過手腳,畢竟偽裝的太像了,如假包換。Client開開心心地拿著objectProxy對(duì)象然后調(diào)用add方法;我們說過,這個(gè)add什么也不做,直接把參數(shù)做一些包裝然后直接轉(zhuǎn)發(fā)給Binder驅(qū)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)收到這個(gè)消息,發(fā)現(xiàn)是這個(gè)objectProxy;一查表就明白了:我之前用objectProxy替換了object發(fā)送給Client了,它真正應(yīng)該要訪問的是object對(duì)象的add方法;于是Binder驅(qū)動(dòng)通知Server進(jìn)程,調(diào)用你的object對(duì)象的add方法,然后把結(jié)果發(fā)給我,Sever進(jìn)程收到這個(gè)消息,照做之后將結(jié)果返回驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)然后把結(jié)果返回給Client進(jìn)程;于是整個(gè)過程就完成了。

由于驅(qū)動(dòng)返回的objectProxy與Server進(jìn)程里面原始的object是如此相似,給人感覺好像是直接把Server進(jìn)程里面的對(duì)象object傳遞到了Client進(jìn)程;因此,我們可以說Binder對(duì)象是可以進(jìn)行跨進(jìn)程傳遞的對(duì)象

但事實(shí)上我們知道,Binder跨進(jìn)程傳輸并不是真的把一個(gè)對(duì)象傳輸?shù)搅肆硗庖粋€(gè)進(jìn)程;傳輸過程好像是Binder跨進(jìn)程穿越的時(shí)候,它在一個(gè)進(jìn)程留下了一個(gè)真身,在另外一個(gè)進(jìn)程幻化出一個(gè)影子(這個(gè)影子可以很多個(gè));Client進(jìn)程的操作其實(shí)是對(duì)于影子的操作,影子利用Binder驅(qū)動(dòng)最終讓真身完成操作。

理解這一點(diǎn)非常重要;務(wù)必仔細(xì)體會(huì)。另外,Android系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這種機(jī)制使用的是代理模式, 對(duì)于Binder的訪問,如果是在同一個(gè)進(jìn)程(不需要跨進(jìn)程),那么直接返回原始的Binder實(shí)體;如果在不同進(jìn)程,那么就給他一個(gè)代理對(duì)象(影子);我們?cè)谙到y(tǒng)源碼以及AIDL的生成代碼里面可以看到很多這種實(shí)現(xiàn)。

另外我們?yōu)榱撕喕麄€(gè)流程,隱藏了SM這一部分驅(qū)動(dòng)進(jìn)行的操作;實(shí)際上,由于SM與Server通常不在一個(gè)進(jìn)程,Server進(jìn)程向SM注冊(cè)的過程也是跨進(jìn)程通信,驅(qū)動(dòng)也會(huì)對(duì)這個(gè)過程進(jìn)行暗箱操作:SM中存在的Server端的對(duì)象實(shí)際上也是代理對(duì)象,后面Client向SM查詢的時(shí)候,驅(qū)動(dòng)會(huì)給Client返回另外一個(gè)代理對(duì)象。Sever進(jìn)程的本地對(duì)象僅有一個(gè),其他進(jìn)程所擁有的全部都是它的代理。

一句話總結(jié)就是:Client進(jìn)程只不過是持有了Server端的代理;代理對(duì)象協(xié)助驅(qū)動(dòng)完成了跨進(jìn)程通信。

Binder到底是什么?

我們經(jīng)常提到Binder,那么Binder到底是什么呢?

Binder的設(shè)計(jì)采用了面向?qū)ο蟮乃枷?,在Binder通信模型的四個(gè)角色里面;他們的代表都是“Binder”,這樣,對(duì)于Binder通信的使用者而言,Server里面的Binder和Client里面的Binder沒有什么不同,一個(gè)Binder對(duì)象就代表了所有,它不用關(guān)心實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié),甚至不用關(guān)心驅(qū)動(dòng)以及SM的存在;這就是抽象。

  • 通常意義下,Binder指的是一種通信機(jī)制;我們說AIDL使用Binder進(jìn)行通信,指的就是Binder這種IPC機(jī)制。
  • 對(duì)于Server進(jìn)程來說,Binder指的是Binder本地對(duì)象
  • 對(duì)于Client來說,Binder指的是Binder代理對(duì)象,它只是Binder本地對(duì)象的一個(gè)遠(yuǎn)程代理;對(duì)這個(gè)Binder代理對(duì)象的操作,會(huì)通過驅(qū)動(dòng)最終轉(zhuǎn)發(fā)到Binder本地對(duì)象上去完成;對(duì)于一個(gè)擁有Binder對(duì)象的使用者而言,它無須關(guān)心這是一個(gè)Binder代理對(duì)象還是Binder本地對(duì)象;對(duì)于代理對(duì)象的操作和對(duì)本地對(duì)象的操作對(duì)它來說沒有區(qū)別。
  • 對(duì)于傳輸過程而言,Binder是可以進(jìn)行跨進(jìn)程傳遞的對(duì)象;Binder驅(qū)動(dòng)會(huì)對(duì)具有跨進(jìn)程傳遞能力的對(duì)象做特殊處理:自動(dòng)完成代理對(duì)象和本地對(duì)象的轉(zhuǎn)換。

面向?qū)ο笏枷氲囊雽⑦M(jìn)程間通信轉(zhuǎn)化為通過對(duì)某個(gè)Binder對(duì)象的引用調(diào)用該對(duì)象的方法,而其獨(dú)特之處在于Binder對(duì)象是一個(gè)可以跨進(jìn)程引用的對(duì)象,它的實(shí)體(本地對(duì)象)位于一個(gè)進(jìn)程中,而它的引用(代理對(duì)象)卻遍布于系統(tǒng)的各個(gè)進(jìn)程之中。最誘人的是,這個(gè)引用和java里引用一樣既可以是強(qiáng)類型,也可以是弱類型,而且可以從一個(gè)進(jìn)程傳給其它進(jìn)程,讓大家都能訪問同一Server,就象將一個(gè)對(duì)象或引用賦值給另一個(gè)引用一樣。Binder模糊了進(jìn)程邊界,淡化了進(jìn)程間通信過程,整個(gè)系統(tǒng)仿佛運(yùn)行于同一個(gè)面向?qū)ο蟮某绦蛑?。形形色色的Binder對(duì)象以及星羅棋布的引用仿佛粘接各個(gè)應(yīng)用程序的膠水,這也是Binder在英文里的原意。

驅(qū)動(dòng)里面的Binder

我們現(xiàn)在知道,Server進(jìn)程里面的Binder對(duì)象指的是Binder本地對(duì)象,Client里面的對(duì)象值得是Binder代理對(duì)象;在Binder對(duì)象進(jìn)行跨進(jìn)程傳遞的時(shí)候,Binder驅(qū)動(dòng)會(huì)自動(dòng)完成這兩種類型的轉(zhuǎn)換;因此Binder驅(qū)動(dòng)必然保存了每一個(gè)跨越進(jìn)程的Binder對(duì)象的相關(guān)信息;在驅(qū)動(dòng)中,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;有的地方把Binder本地對(duì)象直接稱作Binder實(shí)體,把Binder代理對(duì)象直接稱作Binder引用(句柄),其實(shí)指的是Binder對(duì)象在驅(qū)動(dòng)里面的表現(xiàn)形式;讀者明白意思即可。

OK,現(xiàn)在大致了解Binder的通信模型,也了解了Binder這個(gè)對(duì)象在通信過程中各個(gè)組件里面到底表示的是什么。

深入理解Java層的Binder

IBinder/IInterface/Binder/BinderProxy/Stub

我們使用AIDL接口的時(shí)候,經(jīng)常會(huì)接觸到這些類,那么這每個(gè)類代表的是什么呢?

  • IBinder是一個(gè)接口,它代表了一種跨進(jìn)程傳輸?shù)哪芰?/strong>;只要實(shí)現(xiàn)了這個(gè)接口,就能將這個(gè)對(duì)象進(jìn)行跨進(jìn)程傳遞;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,驅(qū)動(dòng)會(huì)識(shí)別IBinder類型的數(shù)據(jù),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,那么client與server端的調(diào)用契約(這里不用接口避免混淆)呢?這里的IInterface代表的就是遠(yuǎn)程server對(duì)象具有什么能力。具體來說,就是aidl里面的接口。
  • Java層的Binder類,代表的其實(shí)就是Binder本地對(duì)象。BinderProxy類是Binder類的一個(gè)內(nèi)部類,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?;?shí)際上,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。
  • 在使用AIDL的時(shí)候,編譯工具會(huì)給我們生成一個(gè)Stub的靜態(tài)內(nèi)部類;這個(gè)類繼承了Binder, 說明它是一個(gè)Binder本地對(duì)象,它實(shí)現(xiàn)了IInterface接口,表明它具有遠(yuǎn)程Server承諾給Client的能力;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,這里使用了策略模式。

AIDL過程分析

現(xiàn)在我們通過一個(gè)AIDL的使用,分析一下整個(gè)通信過程中,各個(gè)角色到底做了什么,AIDL到底是如何完成通信的。(如果你連AIDL都不熟悉,請(qǐng)先查閱官方文檔)

首先定一個(gè)一個(gè)簡單的aidl接口:

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

然后用編譯工具編譯之后,可以得到對(duì)應(yīng)的ICompute.java類,看看系統(tǒng)給我們生成的代碼:

package com.example.test.app;

public interface ICompute extends android.os.IInterface {
/**

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

/**

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

/**

  • Cast an IBinder object into an com.example.test.app.ICompute 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;
    }

系統(tǒng)幫我們生成了這個(gè)文件之后,我們只需要繼承ICompute.Stub這個(gè)抽象類,實(shí)現(xiàn)它的方法,然后在Service 的onBind方法里面返回就實(shí)現(xiàn)了AIDL。這個(gè)Stub類非常重要,具體看看它做了什么。

Stub類繼承自Binder,意味著這個(gè)Stub其實(shí)自己是一個(gè)Binder本地對(duì)象,然后實(shí)現(xiàn)了ICompute接口,ICompute本身是一個(gè)IInterface,因此他攜帶某種客戶端需要的能力(這里是方法add)。此類有一個(gè)內(nèi)部類Proxy,也就是Binder代理對(duì)象;

然后看看asInterface方法,我們?cè)赽ind一個(gè)Service之后,在onServiceConnecttion的回調(diào)里面,就是通過這個(gè)方法拿到一個(gè)遠(yuǎn)程的service的,這個(gè)方法做了什么呢?

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);
}

首先看函數(shù)的參數(shù)IBinder類型的obj,這個(gè)對(duì)象是驅(qū)動(dòng)給我們的,如果是Binder本地對(duì)象,那么它就是Binder類型,如果是Binder代理對(duì)象,那就是BinderProxy類型;然后,正如上面自動(dòng)生成的文檔所說,它會(huì)試著查找Binder本地對(duì)象,如果找到,說明Client和Server都在同一個(gè)進(jìn)程,這個(gè)參數(shù)直接就是本地對(duì)象,直接強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換然后返回,如果找不到,說明是遠(yuǎn)程對(duì)象(處于另外一個(gè)進(jìn)程)那么就需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Binde代理對(duì)象,讓這個(gè)Binder代理實(shí)現(xiàn)對(duì)于遠(yuǎn)程對(duì)象的訪問。一般來說,如果是與一個(gè)遠(yuǎn)程Service對(duì)象進(jìn)行通信,那么這里返回的一定是一個(gè)Binder代理對(duì)象,這個(gè)IBinder參數(shù)的實(shí)際上是BinderProxy;

再看看我們對(duì)于aidl的add 方法的實(shí)現(xiàn);在Stub類里面,add是一個(gè)抽象方法,我們需要繼承這個(gè)類并實(shí)現(xiàn)它;如果Client和Server在同一個(gè)進(jìn)程,那么直接就是調(diào)用這個(gè)方法;那么,如果是遠(yuǎn)程調(diào)用,這中間發(fā)生了什么呢?Client是如何調(diào)用到Server的方法的?

我們知道,對(duì)于遠(yuǎn)程方法的調(diào)用,是通過Binder代理完成的,在這個(gè)例子里面就是Proxy類;Proxy對(duì)于add方法的實(shí)現(xiàn)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把數(shù)據(jù)序列化了,然后調(diào)用了transact方法;這個(gè)transact到底做了什么呢?這個(gè)Proxy類在asInterface方法里面被創(chuàng)建,前面提到過,如果是Binder代理那么說明驅(qū)動(dòng)返回的IBinder實(shí)際是BinderProxy, 因此我們的Proxy類里面的mRemote實(shí)際類型應(yīng)該是BinderProxy;我們看看BinderProxytransact方法:(Binder.java的內(nèi)部類)

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

這是一個(gè)本地方法;它的實(shí)現(xiàn)在native層,具體來說在frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp文件,里面進(jìn)行了一系列的函數(shù)調(diào)用,調(diào)用鏈實(shí)在太長這里就不給出了;要知道的是它最終調(diào)用到了talkWithDriver函數(shù);看這個(gè)函數(shù)的名字就知道,通信過程要交給驅(qū)動(dòng)完成了;這個(gè)函數(shù)最后通過ioctl系統(tǒng)調(diào)用,Client進(jìn)程陷入內(nèi)核態(tài),Client調(diào)用add方法的線程掛起等待返回;驅(qū)動(dòng)完成一系列的操作之后喚醒Server進(jìn)程,調(diào)用了Server進(jìn)程本地對(duì)象的onTransact函數(shù)(實(shí)際上由Server端線程池完成)。我們?cè)倏碆inder本地對(duì)象的onTransact方法(這里就是Stub類里面的此方法):

@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進(jìn)程里面,onTransact根據(jù)調(diào)用號(hào)(每個(gè)AIDL函數(shù)都有一個(gè)編號(hào),在跨進(jìn)程的時(shí)候,不會(huì)傳遞函數(shù),而是傳遞編號(hào)指明調(diào)用哪個(gè)函數(shù))調(diào)用相關(guān)函數(shù);在這個(gè)例子里面,調(diào)用了Binder本地對(duì)象的add方法;這個(gè)方法將結(jié)果返回給驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)喚醒掛起的Client進(jìn)程里面的線程并將結(jié)果返回。于是一次跨進(jìn)程調(diào)用就完成了。

至此,你應(yīng)該對(duì)AIDL這種通信方式里面的各個(gè)類以及各個(gè)角色有了一定的了解;它總是那么一種固定的模式:一個(gè)需要跨進(jìn)程傳遞的對(duì)象一定繼承自IBinder,如果是Binder本地對(duì)象,那么一定繼承Binder實(shí)現(xiàn)IInterface,如果是代理對(duì)象,那么就實(shí)現(xiàn)了IInterface并持有了IBinder引用;

Proxy與Stub不一樣,雖然他們都既是Binder又是IInterface,不同的是Stub采用的是繼承(is 關(guān)系),Proxy采用的是組合(has 關(guān)系)。他們均實(shí)現(xiàn)了所有的IInterface函數(shù),不同的是,Stub又使用策略模式調(diào)用的是虛函數(shù)(待子類實(shí)現(xiàn)),而Proxy則使用組合模式。為什么Stub采用繼承而Proxy采用組合?事實(shí)上,Stub本身is一個(gè)IBinder(Binder),它本身就是一個(gè)能跨越進(jìn)程邊界傳輸?shù)膶?duì)象,所以它得繼承IBinder實(shí)現(xiàn)transact這個(gè)函數(shù)從而得到跨越進(jìn)程的能力(這個(gè)能力由驅(qū)動(dòng)賦予)。Proxy類使用組合,是因?yàn)樗魂P(guān)心自己是什么,它也不需要跨越進(jìn)程傳輸,它只需要擁有這個(gè)能力即可,要擁有這個(gè)能力,只需要保留一個(gè)對(duì)IBinder的引用。如果把這個(gè)過程做一個(gè)類比,在封建社會(huì),Stub好比皇帝,可以號(hào)令天下,他生而具有這個(gè)權(quán)利(不要說宣揚(yáng)封建迷信。。)如果一個(gè)人也想號(hào)令天下,可以,“挾天子以令諸侯”。為什么不自己去當(dāng)皇帝,其一,一般情況沒必要,當(dāng)了皇帝其實(shí)限制也蠻多的是不是?我現(xiàn)在既能掌管天下,又能不受約束(Java單繼承);其二,名不正言不順啊,我本來特么就不是(Binder),你非要我是說不過去,搞不好還會(huì)造反。最后呢,如果想當(dāng)皇帝也可以,那就是asBinder了。在Stub類里面,asBinder返回this,在Proxy里面返回的是持有的組合類IBinder的引用。

再去翻閱系統(tǒng)的ActivityManagerServer的源碼,就知道哪一個(gè)類是什么角色了:IActivityManager是一個(gè)IInterface,它代表遠(yuǎn)程Service具有什么能力,ActivityManagerNative指的是Binder本地對(duì)象(類似AIDL工具生成的Stub類),這個(gè)類是抽象類,它的實(shí)現(xiàn)是ActivityManagerService;因此對(duì)于AMS的最終操作都會(huì)進(jìn)入ActivityManagerService這個(gè)真正實(shí)現(xiàn);同時(shí)如果仔細(xì)觀察,ActivityManagerNative.java里面有一個(gè)非公開類ActivityManagerProxy, 它代表的就是Binder代理對(duì)象;是不是跟AIDL模型一模一樣呢?那么ActivityManager是什么?他不過是一個(gè)管理類而已,可以看到真正的操作都是轉(zhuǎn)發(fā)給ActivityManagerNative進(jìn)而交給他的實(shí)現(xiàn)ActivityManagerService 完成的。

OK,本文就講到這里了,要深入理解Binder,需要自己下功夫;那些native層以及驅(qū)動(dòng)里面的調(diào)用過程,用文章寫出來根本沒有意義,需要自己去跟蹤;接下來你可以:

  1. 看Android文檔,Parcel, IBinder, Binder等涉及到跨進(jìn)程通信的類;
  2. 不依賴AIDL工具,手寫遠(yuǎn)程Service完成跨進(jìn)程通信
  3. 《Binder設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》
  4. 看老羅的博客或者書(書結(jié)構(gòu)更清晰)
  5. 再看《Binder設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》
  6. 學(xué)習(xí)Linux系統(tǒng)相關(guān)知識(shí);自己看源碼。
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