Android IPC机制1-Binder概述及学习计划

Binder概述

Linux的进程间通信机制

Android系统中，每一个应用程序都是由一些Activity和Service组成的，这些Activity和Service有可能运行在同一个进程中，也有可能运行在不同的进程中。那么，不在同一个进程的Activity或者Service是如何通信的呢？这就是本文中要介绍的Binder进程间通信机制了。
我们知道，Android系统是基于Linux内核的，而Linux内核继承和兼容了丰富的Unix系统进程间通信（IPC）机制。有传统的管道（Pipe）、信号（Signal）和跟踪（Trace），这三项通信手段只能用于父进程与子进程之间，或者兄弟进程之间；后来又增加了命令管道（Named Pipe），使得进程间通信不再局限于父子进程或者兄弟进程之间；为了更好地支持商业应用中的事务处理，在AT&T的Unix系统V中，又增加了三种称为“System V IPC”的进程间通信机制，分别是报文队列（Message）、共享内存（Share Memory）和信号量（Semaphore）；后来BSD Unix对“System V IPC”机制进行了重要的扩充，提供了一种称为插口（Socket）的进程间通信机制。若想进一步详细了解这些进程间通信机制，建议参考罗升阳老师的Android学习启动篇一文中提到《Linux内核源代码情景分析》一书。

各个进程间通信方式比较:

• 管道：在创建时分配一个page大小的内存，缓存区大小比较有限；
• 消息队列：信息复制两次，额外的CPU消耗；不合适频繁或信息量大的通信；
• 共享内存：无须复制，共享缓冲区直接付附加到进程虚拟地址空间，速度快；但进程间的同步问题操作系统无法实现，必须各进程利用同步工具解决；
• 套接字：作为更通用的接口，传输效率低，主要用于不同机器或跨网络的通信；
• 信号量：常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
• 信号: 不适用于信息交换，更适用于进程中断控制，比如非法内存访问，杀死某个进程等；

Binder的优势

• 从性能的角度

数据拷贝次数：Binder数据拷贝只需要一次，而管道、消息队列、Socket都需要2次，但共享内存方式一次内存拷贝都不需要；从性能角度看，Binder性能仅次于共享内存。

• 从稳定性的角度

Binder是基于C/S架构的，C/S架构是指客户端(Client)和服务端(Server)组成的架构，Client端有什么需求，直接发送给Server端去完成，架构清晰明朗，Server端与Client端相对独立，稳定性较好；而共享内存实现方式复杂，没有客户与服务端之别， 需要充分考虑到访问临界资源的并发同步问题，否则可能会出现死锁等问题；从这稳定性角度看，Binder架构优越于共享内存。

• 从安全的角度

传统Linux IPC的接收方无法获得对方进程可靠的UID/PID，从而无法鉴别对方身份；而Android作为一个开放的开源体系，拥有非常多的开发平台，App来源甚广，因此手机的安全显得额外重要；对于普通用户，绝不希望从App商店下载偷窥隐射数据、后台造成手机耗电等等问题，传统Linux IPC无任何保护措施，完全由上层协议来确保。Android为每个安装好的应用程序分配了自己的UID，故进程的UID是鉴别进程身份的重要标志，前面提到C/S架构，Android系统中对外只暴露Client端，Client端将任务发送给Server端，Server端会根据权限控制策略，判断UID/PID是否满足访问权限，目前权限控制很多时候是通过弹出权限询问对话框，让用户选择是否运行。Android 6.0，也称为Android M，在6.0之前的系统是在App第一次安装时，会将整个App所涉及的所有权限一次询问，只要留意看会发现很多App根本用不上通信录和短信，但在这一次性权限权限时会包含进去，让用户拒绝不得，因为拒绝后App无法正常使用，而一旦授权后，应用便可以胡作非为。针对这个问题，google在Android M做了调整，不再是安装时一并询问所有权限，而是在App运行过程中，需要哪个权限再弹框询问用户是否给相应的权限，对权限做了更细地控制，让用户有了更多的可控性，但同时也带来了另一个用户诟病的地方，那也就是权限询问的弹框的次数大幅度增多。对于Android M平台上，有些App开发者可能会写出让手机异常频繁弹框的App，企图直到用户授权为止，这对用户来说是不能忍的，用户最后吐槽的可不光是App，还有Android系统以及手机厂商，有些用户可能就跳果粉了，这还需要广大Android开发者以及手机厂商共同努力，共同打造安全与体验俱佳的Android手机。

传统IPC只能由用户在数据包里填入UID/PID；另外，可靠的身份标记只有由IPC机制本身在内核中添加。其次传统IPC访问接入点是开放的，无法建立私有通道。从安全角度，Binder的安全性更高。

• 从语言层面的角度

大家多知道Linux是基于C语言(面向过程的语言)，而Android是基于Java语言(面向对象的语句)，而对于Binder恰恰也符合面向对象的思想，将进程间通信转化为通过对某个Binder对象的引用调用该对象的方法，而其独特之处在于Binder对象是一个可以跨进程引用的对象，它的实体位于一个进程中，而它的引用却遍布于系统的各个进程之中。可以从一个进程传给其它进程，让大家都能访问同一Server，就像将一个对象或引用赋值给另一个引用一样。Binder模糊了进程边界，淡化了进程间通信过程，整个系统仿佛运行于同一个面向对象的程序之中。

从语言层面，Binder更适合基于面向对象语言的Android系统，对于Linux系统可能会有点“水土不服”。另外，Binder是为Android这类系统而生，而并非Linux社区没有想到Binder IPC机制的存在。也并非Linux现有的IPC机制不够好，相反地，经过这么多优秀工程师的不断打磨，依然非常优秀，每种Linux的IPC机制都有存在的价值，同时在Android系统中也依然采用了大量Linux现有的IPC机制，根据每类IPC的原理特性，因时制宜，不同场景特性往往会采用其下最适宜的。比如在Android OS中的Zygote进程的IPC采用的是Socket（套接字）机制，Android中的Kill Process采用的signal（信号）机制等等。而Binder更多则用在system_server进程与上层App层的IPC交互。

Binder的缺点

Binder对CPU和内存的需求比较低，效率比较高，从而进一步说明Binder适合于移动系统Android，但是，也有一定缺点，就是不同利用Binder输出大数据，比如利用Binder传输几M大小的图片，便会出现异常，虽然有厂商会增加Binder内存，但是也不可能比系统默认内存大很多，否则整个系统的可用内存大幅度降低。

讲了Binder的这么多好处,就来看看Binder是如何运行起来的吧!

学习计划

Binder通信流程

完成一次Client到Server通信的流转还是比较复杂的,从应用层到Framework层、从UserSpace到KernelSpace、从Java层到Jni层都涉及到了。Binder学习的这个过程也可以对Android、Linux系统有更深入的了解。

废话就不多说了，回到正题。个人先简单总结了几大主要步骤:

1. ServiceManager启动,注册成为Binder通信的上下文管理者
2. 如何获取Service Manager
3. Server启动并向Service Manager注册
4. Client通过ServiceManager获取Service信息
5. Client根据得到的Service信息建立与Service所在的Server进程通信的通路，然后直接与Service交互。

这个顺序是由底层向上层排的,但为了方便学习,我会从上层入手,逐步深入的学习。

学习过程中大量参考了罗升阳老师及Gityuan的博文,在此表示感谢!