Binder原理

Binder是Android底层实现进程通讯的一种方式，由于它的调用过程比较复杂。本篇暂不涉及源码，只是做一个原理上的讲解，而具体的源码调用，会在后面用一个系列的篇章来分析。

Binder这种进程通讯是Android系统特有的，也就是说，进程间的通讯其实还有许多实现方式，通常称为传统的进程通讯方式。

传统IPC方式：

• 管道(Pipe) ：操作简单，但只能在父子进程间通讯，并且只能单向通讯。
• FiFO：解决了Pipe需要父子进程的问题，但长期存在于系统之中，使用不当容易出错。
• 信号量(Signal)：不适用数据量大的传输。
• 消息队列(Message)：信息的复制需要消耗CPU的时间．不适用信息量大或操作频繁的情形。
• Socket：传输效率低，开销大，主要用在网络通讯。
• 共享内存(Share Memory)：共享内存无须拷贝，可操作大数据量，但实现复杂。

传统IPC原理：

对于 32 位系统，它的寻址空间（虚拟存储空间）就是 2 的 32 次方，即 4GB。分内核空间和用户空间：

• 内核空间：最高的 1GB 字节供内核使用，权限为0级；
• 用户空间：低的 3GB 字节供各进程使用，权限为3级。

用户空间是每个进程私有的，其他进程不能够访问。而用户空间访问内核资源的资源，无法直接访问，需要借助系统调用来实现。系统调用指的是，根据系统对外暴露的api接口，来访问系统资源，换句话说，系统封装了一层实现，如果用户空间要访问内核资源，需要交给这一层实现，来帮我们访问。

系统调用主要通过如下两个函数来实现：

//将数据从用户空间拷贝到内核空间
copy_from_user() 

//将数据从内核空间拷贝到用户空间
copy_to_user() 

消息发送方，将要发送的数据存放在用户空间的内存缓存区中，接着通过系统调用进入内核态，内核程序在内核空间分配内存，开辟一块内核缓存区。然后调用 copy_from_user() 函数，将数据从用户空间的内存缓存区，拷贝到内核空间的内核缓存区中。同样的，接收方进程在接收数据时，在用户空间开辟一块内存缓存区，接着内核程序调用 copy_to_user() 函数，将数据从内核缓存区拷贝到接收进程的用户空间内存缓存区。

可以看到，整个发送和接收的通讯过程，内核需要做2次数据的拷贝。这里的2次，指的是从用户空间切换到内核空间，和从内核空间用户空间，每做一次切换，系统都需要比较大的开销，因此，应尽量减少切换的次数，这是第一个问题。

第二个问题是，接收数据的缓存区由数据接收进程提供，但是接收进程并不知道需要多大的空间，来存放将要传递过来的数据，因此只能开辟尽可能大的内存空间或者先调用 API 接收消息头，来获取消息体的大小，这两种做法不是浪费空间就是浪费时间。

Binder原理

传统的方式在用户和内核态间切换，至少要拷贝2次数据，共享内存虽无需拷贝，但实现复杂。而Binder只要拷贝1次，性能仅次于共享内存。

传统的方式接收方无法获得对方可靠的进程用户ID/进程ID（UID/PID），从而无法鉴别对方身份。而android系统为每个安装好的 APP 分配了自己的 UID，故而进程的 UID 是鉴别进程身份的可靠标志。而且 Binder 既支持实名 Binder，又支持匿名 Binder，安全性高。

传统的 IPC 方式如Pipe、Socket 都是内核的一部分，通过内核支持来实现进程间通信，自然没问题。但是 Binder 并不是 Linux 系统内核的一部分，因此，需要借助 Linux 的动态内核可加载模块（Loadable Kernel Module，LKM）的机制，动态添加一个内核模块运行在内核空间中，这个内核模块就是Binder 驱动（Binder Dirver）。

内存映射

Binder Dirver是通过内存映射，来进行进程通讯的。系统对外提供了一个函数mmap()，来做内存映射。它的原理是，将用户空间的一块内存区域映射到内核空间。用户对这块内存区域的修改，就可以直接反应到内核空间；同样的，内核空间对这块内存的修改，也能直接反应到用户空间。

但mmap通常用在有物理介质的文件系统上。因为，进程中的用户空间是不能直接访问物理设备的，所以，通常情况下，我们对磁盘上一个文件进行I/O读写，是系统先把磁盘的数据拷贝到内核空间，再从内核空间把数据拷贝到用户区域。这种情况下，就可以通过mmap来做映射，用内存读写取代I/O读写，剩去了数据拷贝，提高效率。

int main(void){
   //打开磁盘上的文件
   int fd =  open("test",O_RDWR|O_TRUNC|O_CREAT,0664);
   //拓展10字节
   ftruncate(fd,10);
   //获取文件长度
   int len = lseek(fd,0,SEEK_END);
   //映射地址
   char *memp;
   //内存映射
   memp = mmap(NULL,len,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    //映射失败
    if(memp==MAP_FAILED){
         perror("mmap error");
         exit(1);
     }

    //关闭文件
    close(fd);
    //将数据写入内存
    strcpy(memp,"hello world\n");
    
    //关闭内存映射
    int ret = munmap(memp,len);  
    if(ret==-1){
       perror("mmap error");
       exit(1);
    }

   return 0;
 }

打开test文件：

hello world

如上代码，我们将一个文件映射到内存中，然后往内存中写入一串数据，数据将会同步写入文件中。

上面的示例虽然使用了物理介质(磁盘文件)来做映射，但用mmap做内存映射，物理介质并不是必须的。也就是说，我们可以在内核中创建一块内存空间，并将这块内存映射到接收进程的用户空间(等同于磁盘文件)，当我们往这块内存中写数据时，也就同步传递到接收进程的用户空间中。大致的创建流程分三步：

image.png

• Binder 驱动先在内核空间创建一个数据接收缓存区；
• 接着在内核空间开辟一块内核缓存区，将接收缓存区和接收进程用户空间地址进行映射；
• 发送方进程通过系统调用 copy_from_user() 将数据拷贝到内核中的内核缓存区，内核缓存区会将数据写到接收缓存区中，由于接收缓存区映射到了接收进程用户空间地址，因此接收进程就同步收到了数据，整个过程只经历用户到内核的1次拷贝。