Binder学习(二)Binder机制解析

概述

由于Android是基于Linux内核的操作系统，所以在了解Binder级之前需要先了解一些关于Linux的知识，进程隔离以及虚拟地址：

进程隔离

进程隔离是为保护操作系统中进程互不干扰而设计的一组不同硬件和软件的技术。这个技术是为了避免进程A写入进程B的情况发生。 进程的隔离实现，使用了虚拟地址空间。

虚拟地址

虚拟地址是对整个内存的抽像描述。它是相对于物理内存来讲的，可以直接理解成“不真实的”，“假的”内存，例如，一个0x08000000内存地址，它并不对就物理地址上那个大数组中0x08000000 - 1那个地址元素；之所以是这样，是因为现代操作系统都提供了一种内存管理的抽像，即虚拟内存（virtual memory）。进程使用虚拟内存中的地址，由操作系统协助相关硬件，把它“转换”成真正的物理地址。

正文

由于Linux的进程隔离，所以导致了进程间不能直接进行通信，那么Linux有没有其它的通信方式呢，如果有的话，为什么要使用Binder作为IPC的通信方式？带着这些疑问，来对Binder机制进行一步一步的分析。

IPC原理

IPC机制

Client进程向Server进程通信，是利用进程间可共享的内核内存空间来完成底层通信工作的，Client端与Server端进程往往采用ioctl等方法跟内核空间的驱动进行交互。

IPC种类

IPC种类

• 1.管道(Pipe)：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；
• 2.信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身
• 3.（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队- 列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
• 4.共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。
• 5.套接字（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。

Binder原理

虽然，Linux进程间通信有很多种方式，但是Android并没有采用以上几种，而是使用了Binder机制，在分析原因前，还是先看看什么是Binder机制以及Binder机制的特点：

• 1.直观来说，Binder是Android中的一个类，它继承了IBinder接口
• 2.从IPC角度来说，Binder是Android中的一种跨进程通信方式，Binder还可以理解为一种虚拟的物理设备，它的设备驱动是/dev/binder，该通信方式在linux中没有
• 3.从Android Framework角度来说，Binder是ServiceManager连接各种Manager（ActivityManager、WindowManager，etc）和相应ManagerService的桥梁
• 4.从Android应用层来说，Binder是客户端和服务端进行通信的媒介，当你bindService的时候，服务端会返回一个包含了服务端业务调用的Binder对象，通过这个Binder对象，客户端就可以获取服务端提供的服务或者数据，这里的服务包括普通服务和基于AIDL的服务

Binder原理

Binder从字面意思来看是黏合剂，黏结剂的意思，那么它的作用必然是把什么东西连接在一起呢，在Android系统的Binder机制中，由一系统组件组成，分别是Client、Server、Service Manager和Binder驱动程序，其中Client、Server和Service Manager运行在用户空间，Binder驱动程序运行内核空间。Binder就是一种把这四个组件粘合在一起的粘结剂了，其中，核心组件便是Binder驱动程序了，Service Manager提供了辅助管理的功能，Client和Server正是在Binder驱动和Service Manager提供的基础设施上，进行Client-Server之间的通信。Service Manager和Binder驱动已经在Android平台中实现好，开发者只要按照规范实现自己的Client和Server组件就可以了。

Binder架构

Binder架构

• Java应用层: 对于上层应用通过调用AMP.startService, 完全可以不用关心底层,经过层层调用,最终必然会调用到AMS.startService.
• Java IPC层: Binder通信是采用C/S架构, Android系统的基础架构便已设计好Binder在Java framework层的Binder客户类BinderProxy和服务类Binder;
• Native IPC层: 对于Native层,如果需要直接使用Binder(比如media相关), 则可以直接使用BpBinder和BBinder(当然这里还有JavaBBinder)即可, 对于上一层Java IPC的通信也是基于这个层面.
• Kernel物理层: 这里是Binder Driver, 前面3层都跑在用户空间,对于用户空间的内存资源是不共享的,每个Android的进程只能运行在自己进程所拥有的虚拟地址空间, 而内核空间却是可共享的. 真正通信的核心环节还是在Binder Driver.

Binder通信流程

Binder通信流程

• Server在ServiceManager中注册。
  -Client想要调用Server的getName方法，就需要先获取Server对象， 但是SM不会把真正的Server对象返回给Client，而是把Server的一个代理对象返回给Client，也就是Proxy。
• 然后，Client调用Proxy的getName方法，SM会帮他去调用Server的getName方法，并把结果返回给Client。

IPC方式对比

虽然Android已经有很多的IPC方式了，但是Android依然采用Binder来进行线程间通信，主要是从性能和安全性以及稳定性的角度来考虑的。

1. 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；
2. 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；
3. 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；
4. 套接字：作为更通用的接口，传输效率低，主要用于不通机器或跨网络的通信；
5. 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。
6. 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；

Android之所以采用Binder机制来进行通信，主要是基于性能，安全以及稳定性来考虑，Binder基于 Client-Server通信模式，传输过程只需一次拷贝，为发送发添加UID/PID身份，既支持实名Binder也支持匿名Binder，安全性高;

参考资料

http://gityuan.com/2015/10/31/binder-prepare/
https://segmentfault.com/a/1190000007997113