Android进阶学习必会：Java Binder中的系统服务

作者: 程序媛饭冰冰 | 来源:发表于2020-11-17 19:16 被阅读0次

前言

这个知识点是Android进阶学习必须掌握的知识点之一，也是高阶Android架构师经常问到的点。在这里分想给大家，希望对大家的工作和学习有所帮助。喜欢本文的记得点赞关注哦~

在前面的Android Binder原理（三）系统服务的注册过程这篇文章中，我介绍的是Native Binder中的系统服务的注册过程，这一过程的核心是ServiceManager，而在Java Binder中，也有一个ServiceManager，只不过这个ServiceManager是Java文件。
既然要将系统服务注册到ServiceManager，那么需要选择一个系统服务为例，这里以常见的AMS为例。

1.将AMS注册到ServiceManager

在AMS的setSystemProcess方法中，会调用ServiceManager的addService方法，如下所示。
frameworks/base/services/core/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java

    public void setSystemProcess() {
        try {
            ServiceManager.addService(Context.ACTIVITY_SERVICE, this, /* allowIsolated= */ true,
                    DUMP_FLAG_PRIORITY_CRITICAL | DUMP_FLAG_PRIORITY_NORMAL | DUMP_FLAG_PROTO);//1
           ....
        } catch (PackageManager.NameNotFoundException e) {
            throw new RuntimeException(
                    "Unable to find android system package", e);
        }
     ...
    }

注释1处的Context.ACTIVITY_SERVICE的值为"activity"，作用就是将AMS注册到ServiceManager中。接着来看
ServiceManager的addService方法。
frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManager.java

    public static void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated,
            int dumpPriority) {
        try {
            getIServiceManager().addService(name, service, allowIsolated, dumpPriority);
        } catch (RemoteException e) {
            Log.e(TAG, "error in addService", e);
        }
    }

主要分析getIServiceManager方法返回的是什么，代码如下所示。
frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManager.java

   private static IServiceManager getIServiceManager() {
        if (sServiceManager != null) {
            return sServiceManager;
        }
        sServiceManager = ServiceManagerNative
                .asInterface(Binder.allowBlocking(BinderInternal.getContextObject()));
        return sServiceManager;
    }

讲到这里，已经积累了几个点需要分析，分别是：

BinderInternal.getContextObject()
ServiceManagerNative.asInterface()
getIServiceManager().addService()

现在我们来各个击破它们。

1.1 BinderInternal.getContextObject()

Binder.allowBlocking的作用是将BinderProxy的sWarnOnBlocking值置为false。主要来分析BinderInternal.getContextObject()做了什么，这个方法是一个Native方法，找到它对应的函数：
frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp

static const JNINativeMethod gBinderInternalMethods[] = {
    { "getContextObject", "()Landroid/os/IBinder;", (void*)android_os_BinderInternal_getContextObject },
   ...
};

对应的函数为android_os_BinderInternal_getContextObject：
frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp

static jobject android_os_BinderInternal_getContextObject(JNIEnv* env, jobject clazz)
{
    sp<IBinder> b = ProcessState::self()->getContextObject(NULL);//1
    return javaObjectForIBinder(env, b);
}

ProcessState::self()的作用是创建ProcessState，注释1处最终返回的是BpBinder，不理解的可以查看Android Binder原理（二）ServiceManager中的Binder机制这篇文章。

BpBinder是Native Binder中的Client端，这说明Java层的ServiceManager需要Native层的BpBinder，但是这个BpBinder在Java层是无法直接使用，那么就需要传入javaObjectForIBinder函数来做处理，其内部会创建一个BinderProxy对象，这样我们得知 BinderInternal.getContextObject()最终得到的是BinderProxy。
在Android Binder原理（六）Java Binder的初始化这篇文章我们讲过，BinderProxy是Java Binder的客户端的代表。
需要注意的一点是，这个传入的BpBinder会保存到BinderProxy的成员变量mObject中，后续会再次提到这个点。

1.2 ServiceManagerNative.asInterface()

说到asInterface方法，在Native Binder中也有一个asInterface函数。在Android Binder原理（二）ServiceManager中的Binder机制这篇文章中讲过IServiceManager的asInterface函数，它的作用是用BpBinder做为参数创建BpServiceManager。那么在Java Binder中的asInterface方法的作用又是什么？
frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManagerNative.java

   static public IServiceManager asInterface(IBinder obj)
    {
        if (obj == null) {
            return null;
        }
        IServiceManager in =
            (IServiceManager)obj.queryLocalInterface(descriptor);
        if (in != null) {
            return in;
        }

        return new ServiceManagerProxy(obj);
    }

根据1.1小节，我们得知obj的值为BinderProxy，那么asInterface方法的作用就是用BinderProxy作为参数创建ServiceManagerProxy。
BinderProxy和BpBinder分别在Jave Binder和Native Binder作为客户端的代表，BpServiceManager通过BpBinder来实现通信，同样的，ServiceManagerProxy也会将业务的请求交给BinderProxy来处理。
分析到这里，那么：

        sServiceManager = ServiceManagerNative
                .asInterface(Binder.allowBlocking(BinderInternal.getContextObject()));

可以理解为：

        sServiceManager = new ServiceManagerProxy（BinderProxy);
    }

1.3 getIServiceManager().addService()

根据1.2节的讲解，getIServiceManager()返回的是ServiceManagerProxy，ServiceManagerProxy是ServiceManagerNative的内部类，它实现了IServiceManager接口。

来查看ServiceManagerProxy的addService方法，
frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManagerNative.java::ServiceManagerProxy

    public void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated, int dumpPriority)
            throws RemoteException {
        Parcel data = Parcel.obtain();
        Parcel reply = Parcel.obtain();
        data.writeInterfaceToken(IServiceManager.descriptor);
        data.writeString(name);
        data.writeStrongBinder(service);//1
        data.writeInt(allowIsolated ? 1 : 0);
        data.writeInt(dumpPriority);
        mRemote.transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);//2
        reply.recycle();
        data.recycle();
    }

注释1处的data.writeStrongBinder很关键，后续会进行分析。这里又看到了Parcel，它是一个数据包装器，将请求数据写入到Parcel类型的对象data中，通过注释1处的mRemote.transact发送出去，mRemote实际上是BinderProxy，BinderProxy.transact是native函数，实现的函数如下所示。
frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp

static jboolean android_os_BinderProxy_transact(JNIEnv* env, jobject obj,
        jint code, jobject dataObj, jobject replyObj, jint flags) // throws RemoteException
{
    if (dataObj == NULL) {
        jniThrowNullPointerException(env, NULL);
        return JNI_FALSE;
    }
    Parcel* data = parcelForJavaObject(env, dataObj);//1
    if (data == NULL) {
        return JNI_FALSE;
    }
    Parcel* reply = parcelForJavaObject(env, replyObj);//2
    if (reply == NULL && replyObj != NULL) {
        return JNI_FALSE;
    }
    IBinder* target = getBPNativeData(env, obj)->mObject.get();//3
    if (target == NULL) {
        jniThrowException(env, "java/lang/IllegalStateException", "Binder has been finalized!");
        return JNI_FALSE;
    }
   ...
    status_t err = target->transact(code, *data, reply, flags);//4
    return JNI_FALSE;
}

注释1和注释2处，将Java层的Parcel对象转化成为Native层的Parcel对象。在1.1小节中，我们得知BpBinder会保存到BinderProxy的成员变量mObject中，因此在注释3处，从BinderProxy的成员变量mObject中获取BpBinder。最终会在注释4处调用BpBinder的transact函数，向Binder驱动发送数据，可以看出Java Binder是需要Native Binder支持的，最终的目的就是向Binder驱动发送和接收数据。

2.引出JavaBBinder

接着回过头来分析1.3小节遗留下来的data.writeStrongBinder(service)，代码如下所示。
frameworks/base/core/java/android/os/Parcel.java

  public final void writeStrongBinder(IBinder ll) {
        nativeWriteStrongBinder(mNativePtr, val);
    }

nativeWriteStrongBinder是Native方法，实现的函数为android_os_Parcel_writeStrongBinder：
frameworks/base/core/jni/android_os_Parcel.cpp

static void android_os_Parcel_writeStrongBinder(JNIEnv* env, jclass clazz, jlong nativePtr, jobject object)
{
    Parcel* parcel = reinterpret_cast<Parcel*>(nativePtr);
    if (parcel != NULL) {
        const status_t err = parcel->writeStrongBinder(ibinderForJavaObject(env, object));//1
        if (err != NO_ERROR) {
            signalExceptionForError(env, clazz, err);
        }
    }
}

接着查看注释1处ibinderForJavaObject函数：
frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp

sp<IBinder> ibinderForJavaObject(JNIEnv* env, jobject obj)
{
    if (obj == NULL) return NULL;
    if (env->IsInstanceOf(obj, gBinderOffsets.mClass)) {//1
        JavaBBinderHolder* jbh = (JavaBBinderHolder*)
            env->GetLongField(obj, gBinderOffsets.mObject);
        return jbh->get(env, obj);//2
    }
    if (env->IsInstanceOf(obj, gBinderProxyOffsets.mClass)) {
        return getBPNativeData(env, obj)->mObject;
    }

    ALOGW("ibinderForJavaObject: %p is not a Binder object", obj);
    return NULL;
}

注释2处，如果obj是Java层的BinderProxy类，则返回BpBinder。
注释1处，如果obj是Java层的Binder类，那么先获取JavaBBinderHolder对象，然后在注释2处调用JavaBBinderHolder的get函数，代码如下所示。
frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp::JavaBBinderHolder

class JavaBBinderHolder
{
public:
    sp<JavaBBinder> get(JNIEnv* env, jobject obj)
    {
        AutoMutex _l(mLock);
        sp<JavaBBinder> b = mBinder.promote();//1
        if (b == NULL) {
            //obj是一个Java层Binder对象
            b = new JavaBBinder(env, obj);//2
            mBinder = b;
            ALOGV("Creating JavaBinder %p (refs %p) for Object %p, weakCount=%" PRId32 "\n",
                 b.get(), b->getWeakRefs(), obj, b->getWeakRefs()->getWeakCount());
        }
        return b;
    }
    sp<JavaBBinder> getExisting()
    {
        AutoMutex _l(mLock);
        return mBinder.promote();
    }
private:
    Mutex           mLock;
    wp<JavaBBinder> mBinder;
};

成员变量mBinder是wp<JavaBBinder>类型的弱引用，在注释1处得到sp<JavaBBinder>类型的强引用b，在注释2处创建JavaBBinder并赋值给b。那么，JavaBBinderHolder的get函数返回的是JavaBBinder。

data.writeStrongBinder(service)在本文中等价于：

data.writeStrongBinder(new JavaBBinder(env，Binder))。

讲到这里可以得知ServiceManager.addService()传入的并不是AMS本身，而是JavaBBinder。

3.解析JavaBBinder

接着来分析JavaBBinder，查看它的构造函数：
frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp::JavaBBinderHolder::JavaBBinder

class JavaBBinder : public BBinder
{
public:
    JavaBBinder(JNIEnv* env, jobject /* Java Binder */ c)
        : mVM(jnienv_to_javavm(env)), mObject(env->NewGlobalRef(object))
    {
        ALOGV("Creating JavaBBinder %p\n", this);
        gNumLocalRefsCreated.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
        gcIfManyNewRefs(env);
    }
...

可以发现JavaBBinder继承了BBinder，那么JavaBBinder的作用是什么呢？当Binder驱动得到客户端的请求，紧接着会将响应发送给JavaBBinder，这时会调用JavaBBinder的onTransact函数，代码如下所示。
frameworks/base/core/jni/android_util_Binder.cpp::JavaBBinderHolder::JavaBBinder

 virtual status_t onTransact(
        uint32_t code, const Parcel& data, Parcel* reply, uint32_t flags = 0)
    {                            
        JNIEnv* env = javavm_to_jnienv(mVM);
        ALOGV("onTransact() on %p calling object %p in env %p vm %p\n", this, mObject, env, mVM);
        IPCThreadState* thread_state = IPCThreadState::self();
        const int32_t strict_policy_before = thread_state->getStrictModePolicy();
        jboolean res = env->CallBooleanMethod(mObject, gBinderOffsets.mExecTransact,
            code, reinterpret_cast<jlong>(&data), reinterpret_cast<jlong>(reply), flags);//1

        ...
        return res != JNI_FALSE ? NO_ERROR : UNKNOWN_TRANSACTION;
    }

在注释1处会调用Java层Binder的execTransact函数：
frameworks/base/core/java/android/os/Binder.java

    private boolean execTransact(int code, long dataObj, long replyObj,
            int flags) {
...
        try {
            if (tracingEnabled) {
                Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ALWAYS, getClass().getName() + ":" + code);
            }
            res = onTransact(code, data, reply, flags);//1
        } catch (RemoteException|RuntimeException e) {
           ...
        }
       ...
        return res;
    }

关键点是注释1处的onTransact函数，AMS实现了onTransact函数，从而完成业务实现。
从这里可有看出，JavaBBinder并没有实现什么业务，当它接收到请求时，会调用Binder类的execTransact函数，execTransact函数内部又调用了onTransact函数，系统服务会重写onTransact函数来实现自身的业务功能。

4.Java Binder架构

Binder架构如下图所示。

Native Binder的部分在此前的文章已经讲过，这里主要来说说Java Binder部分，从图中可以看到：
1.Binder是服务端的代表，JavaBBinder继承BBinder，JavaBBinder通过mObject变量指向Binder。
2.BinderProxy是客户端的代表，ServiceManager的addService等方法会交由ServiceManagerProxy处理。
3.ServiceManagerProxy的成员变量mRemote指向BinderProxy对象，所以ServiceManagerProxy的addService等方法会交由BinderProxy来处理。
4.BinderProxy的成员变量mObject指向BpBinder对象，因此BinderProxy可以通过BpBinder和Binder驱动发送数据。

感谢
《深入理解Android卷二》
《深入理解Android卷三》
http://gityuan.com/2015/11/21/binder-framework/

最后

千里之行始于足下 。

Android学习是一条漫长的道路，我们要学习的东西不仅仅只有表面的技术，还要深入底层，弄明白下面的原理，只有这样，我们才能够提高自己的竞争力，在当今这个竞争激烈的世界里立足。

我把自己这段时间整理的Android最重要最热门的学习方向资料放在了我的GitHub：https://github.com/xieyuliang/Android-P7-（点击蓝色字体可以获取），里面还有不同方向的自学编程路线、面试题集合/面经、及系列技术文章等。

资源持续更新中，欢迎大家一起学习和探讨。

部分资料截图展示：

Android进阶学习必会：Java Binder中的系统服务

前言

1.将AMS注册到ServiceManager

1.1 BinderInternal.getContextObject()

1.2 ServiceManagerNative.asInterface()

1.3 getIServiceManager().addService()

2.引出JavaBBinder

3.解析JavaBBinder

4.Java Binder架构

最后

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