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简单说Binder

简单说Binder

作者: EsonJack | 来源:发表于2016-02-22 17:53 被阅读249次

    简单说Binder

    Binder算是Android中比较难懂的一部分内容了，但是非常的重要，要想研究Framework层无论如何也绕不开Binder。网上也有很多讲解Binder的文章，有的很深入涉及到底层C层面，理解起来难度较大，要完全理解还需要Linux驱动的知识，看了还也是似懂非懂，我认为也不需要理解那么深入。写这篇博客主要是我从最学习理解Binder的过程的角度出发，也来谈谈Binder。
    Binder是什么
    Binder是android中用于进程间通信IPC的重要机制，ActivityManagerService、WinderManagerService等系统服务的背后都是Binder。
    Binder架构包括服务器接口、Binder驱动、客户端接口三个模块。
    Binder服务端：一个Binder服务端实际上就是Binder类的对象，该对象一旦创建，内部则会启动一个隐藏线程，会接收Binder驱动发送的消息，收到消息后，会执行Binder对象中的onTransact()函数，并按照该函数的参数执行不同的服务器端代码。onTransact函数的参数是客户端调用transact函数的输入。
    Binder驱动：任意一个服务端Binder对象被创建时，同时会在Binder驱动中创建一个mRemote对象，该对象也是一个Binder类。客户端访问远程服务端都是通过该mRemote对象。
    客户端：获取远程服务在Binder驱动中对应的mRemote引用，然后调用它的transact方法即可向服务端发送消息。


    这幅图展现了Binder框架的大致构成，至于里面有一些内容需要看完这篇博客才能看懂。
    需要注意的一个问题：既然客户端要通过mRemote引用调用它的transact方法向服务端发送消息，那么客户端获取远程服务在Binder中的mRemote引用？
    客户端获取远程服务在Binder中的mRemote引用有两种方式：系统服务和自定义的服务端程序不一样，对于系统服务使用Binder就可以实现服务端，而我们自定义的服务必须借助Service来编写。
    》》系统服务是在系统启动的时候在SystemServer进程的init2函数中启动ServerThread线程，在这个线程中启动了各种服务，并且通过调用ServerManager.addService(String name, IBinder service)将其加入保存起来。ServerManager就相当于DNS服务器，在查找某个服务时通过调用ServerManager.getService(String name)函数就可以获得远程服务的Binder，至于它的具体细节可以查看Android启动相关的源代码。
    》》自定义的服务必须通过Service来实现。
    通过bind函数绑定一个远程服务

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    接下来分析上面的代码：
    客户端通过bindService启动远程服务。最终会由系统回调传入的ServiceConnection接口，因此可以在onServiceConnected函数中获得该远程服务所对应的Binder驱动中的引用，接下来想要和远程服务端通信只需调用该mRemote的transact方法即可。

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

    code标识要执行的动作，其实就是指调用服务端的哪个函数。
    data是对输入参数的打包
    reply是对返回值的打包
    writeString<--->readString 客户端打包一个Parcel对象，在服务端读取该Parcel对象中打包的数据，客户端的写入和服务端的读取时对应的。
    这里存在的问题：要统一客户端写入和服务端读取的顺序，当然对于一个程序员来说，保证这一点是很简单的。
    接下来调用mRemote的transact方法会陷入内核态，也就是说剩下的都是由系统完成的，binder驱动会挂起当前线程，将参数包裹发给服务端程序，在服务端的onTransact(code, data, reply, flags)函数里面读取出包装的数据进行处理(数据处理的过程也就是根据code执行指定的服务函数)，然后把执行的结果放入客户端提供的reply包裹中，然后服务端向Binder驱动发送一个notify消息，唤醒客户端线程，继续执行使得客户端线程从Binder驱动返回到客户端代码区，再次回到用户态。
    使用AIDL
    我们也看到了上面使用Binder进行IPC通信的时候代码比较繁琐，尤其是客户端给服务端发送消息的打包过程中要保证顺序的一致性。当然android也给我们提供了一个比较好的方式，那就是使用android提供的aidl工具。
    AIDL(Android Interface Definition Language)，编译器通过*.aidl文件的描述信息生成符合通信协议的Java代码，我们不需要自己写这些繁杂的代码，使用非常方便。只需要建立一个xxx.aidl文件，这时在gen目录下就会生成对应的java文件

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    package org.qhyuan.aidl;
    interface ICompute {
    String strcat (String x,String y);
    }

    这样使用aidl来实现上面的功能就可以很简单了。于是客户端代码

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    public class MainActivity extends Activity {
    private ICompute compute = null;
    private boolean isBound;
    private Button btn_add;
    private ServiceConnection serviceConn = new ServiceConnection() {
    @Override
    public void onServiceConnected(ComponentName name, IBinder service) {
    compute = ICompute.Stub.asInterface(service);
    }
    @Override
    public void onServiceDisconnected(ComponentName name) {
    }
    };

    @Override  
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {  
    super.onCreate(savedInstanceState);  
    setContentView(R.layout.activity_main);  
    bind();  
    btn_add = (Button)findViewById(R.id.btn_add);  
    btn_add.setOnClickListener(new OnClickListener() {  
        @Override  
        public void onClick(View v) {  
            String result = null;  
            try {  
                result = compute.strcat("abc", "def");  
            } catch (RemoteException e) {  
                Toast.makeText(MainActivity.this, "error", 0).show();  
                e.printStackTrace();  
            }  
            Toast.makeText(MainActivity.this, result, 0).show();  
        }  
    });  
}  
  
private void bind() {  
    Intent intent = new Intent(MainActivity.this, ComputeService.class);    
    isBound = bindService(intent, serviceConn, Context.BIND_AUTO_CREATE);  
}  
  
private void unbind() {  
    if (isBound) {  
        MainActivity.this.unbindService(serviceConn);  
        isBound = false;  
    }  
}  

@Override  
protected void onDestroy() {  
    unbind();  
    super.onDestroy();  
}

    }

    服务端代码

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    public class ComputeService extends Service {

    private IBinder binder = new ICompute.Stub() {  
    @Override  
    public String strcat(String x, String y) throws RemoteException {  
        return x+y;  
    }  
};  
  
@Override  
public IBinder onBind(Intent arg0) {  
    return binder;  
}

    }

    其他的都不需要改变，是不是简单了很多？封装了底层的细节，使得程序写起来很优美。之前手动写的transact函数和重写的onTransact函数也不见踪影了。
    接下来分析上面的代码，看看aidl文件到底做了什么，能使得我们编写程序简化很多。

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    /*

    • This file is auto-generated. DO NOT MODIFY.
    • Original file: E:\EclipseProject\Binder\src\org\qhyuan\aidl\ICompute.aidl
      */
      package org.qhyuan.aidl;

    public interface ICompute extends android.os.IInterface {
    /** Local-side IPC implementation stub class. */
    public static abstract class Stub extends android.os.Binder implements
    org.qhyuan.aidl.ICompute {
    private static final java.lang.String DESCRIPTOR = "org.qhyuan.aidl.ICompute";

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

    /** 
     * Cast an IBinder object into an org.qhyuan.aidl.ICompute interface, 
     * generating a proxy if needed. 
     */  
    public static org.qhyuan.aidl.ICompute asInterface(  
            android.os.IBinder obj) {  
        if ((obj == null)) {  
            return null;  
        }  
        android.os.IInterface iin = obj.queryLocalInterface(DESCRIPTOR);  
        if (((iin != null) && (iin instanceof org.qhyuan.aidl.ICompute))) {  
            return ((org.qhyuan.aidl.ICompute) iin);  
        }  
        return new org.qhyuan.aidl.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_strcat: {  
            data.enforceInterface(DESCRIPTOR);  
            java.lang.String _arg0;  
            _arg0 = data.readString();  
            java.lang.String _arg1;  
            _arg1 = data.readString();  
            java.lang.String _result = this.strcat(_arg0, _arg1);  
            reply.writeNoException();  
            reply.writeString(_result);  
            return true;  
        }  
        }  
        return super.onTransact(code, data, reply, flags);  
    }  

    private static class Proxy implements org.qhyuan.aidl.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;  
        }  

        @Override  
        public java.lang.String strcat(java.lang.String x,  
                java.lang.String y) throws android.os.RemoteException {  
            android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();  
            android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();  
            java.lang.String _result;  
            try {  
                _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);  
                _data.writeString(x);  
                _data.writeString(y);  
                mRemote.transact(Stub.TRANSACTION_strcat, _data, _reply, 0);  
                _reply.readException();  
                _result = _reply.readString();  
            } finally {  
                _reply.recycle();  
                _data.recycle();  
            }  
            return _result;  
        }  
    }  

    static final int TRANSACTION_strcat = (android.os.IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION + 0);  
}  

public java.lang.String strcat(java.lang.String x, java.lang.String y)  
        throws android.os.RemoteException;

    }

    为了看起来方便，这里存在几个类及每个类中的属性和方法大致简化如下。
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    interface ICompute extends IInterface
    {
    strcat();

    static abstract class Stub extends Binder implements ICompute {  
    static final int TRANSACTION_strcat;  
    static final String DESCRIPTOR;  
    static asInterface();  
    asBinder();  
    onTransact();  

    static class Proxy implements ICompute {  
        IBinder binder;  
        asBinder();  
        getInterfaceDescriptor();  
        strcat();  
    }  
}

    }

    首先要明白AIDL的主要设计思想。产生的这个类的思想是抽象出了一个接口，接口里面包含我们想实现的strcat方法，于是服务端的Binder来实现这个接口，其实就是这里的Stub类。然后客户端在获得了服务端在Binder驱动中的Binder引用mRemote后，通过该引用给远程服务端发送消息，这是包含在Proxy类的strcat函数中。由于有aidl工具生成的代码所以包裹中的打包数据的顺序都是一致的。
    ICompute类中的strcat函数不需要实现，仅仅是提供接口而已，具体的在Stub的子类类和Proxy类中实现。
    在Stub子类中具体实现，一般是在服务端程序中的。
    在Proxy类中的strcat函数包括对参数的打包和通过Binder驱动中的mRemote调用transact函数向服务端发送包裹，再从reply包裹中读取出返回值返回。
    》》TRANSACTION_strcat：是对函数的编号，由于这里只有一个函数stract，所以只有这一个整型值。
    》》DESCRIPTOR：每个Stub类有一个描述符，与它实现的接口有关。
    》》onTransact：收到Binder驱动发来的包裹，进行解包，这里面调用了this.strcat(_arg0, _arg1);是非常重要的，实际上是在服务器端实现的类的strcat函数。
    》》asInterface：是最重要的一个函数，这是一个静态方法，是用在客户端将一个IBinder对象转化为它实现的接口。
    如果能根据DESCRIPTION通过queryLocalInterface查找到的值，就直接返回该值，(如果不是因为是static的，是不是返回this就可以了？)这对应的情况是服务端自己调用该Binder中的服务程序。返回的就是服务端的Binder，接下来的调用就是直接用服务端的Binder调用服务端的程序，不存在IPC。否则就将该IBinder包装成一个新的类Proxy类，接下来调用Proxy的stract方法实质上是用的Binder驱动中的远程Binder的引用mRemote来调用的，是IPC。这里，Proxy顾名思义是代理的意思，本地调用就直接返回ICompute接口实际上是当前服务器端的Binder，否则就返回一个代理类，该代理类实现了ICompute，里面封装的是Binder驱动中的mRemote引用，这样保证接下来的操作是一致的。
    一句话就是说asInterface函数的存在将本地调用和进程间调用综合在一起了。看到这里有没有觉得三个类组织的非常巧妙代码很优美呢。
    另，上面三个类如果写成三个类而不是写成嵌套类的形式会好理解很多。并且和最开始手工写的Binder本质上是一致的。
    代码中出现的如下几个打包的数据可以认为是增加安全性和处理一些其他的问题，没有也是可以可以的。writeInterfaceToken<--->enforceInterface 客户端封装一个String标识，在服务端收到后对比确保该Binder驱动确实是想访问我。类似的还有writeException<--->readException。
    再此基础上去看系统中一些XXXManager代码，就会容易很多，里面使用Binder的部分都类似于AIDL产生的那些代码，本质上就是上面讲的Binder进行IPC通信，下面举例子说明源代码中使用Binder的地方。
    系统服务中的Binder分析
    下面以ServiceManager和ActivityManagerService为例来分析。ServiceManager：
    前面已经提到过ServiceManager可以认为是DNS，用来查找系统服务。保存了已经开启的系统服务。他有两个主要的方法
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    public static IBinder getService(String name)
    public static void addService(String name, IBinder service)

    实际上ServerManager既是系统服务的管理者，同时也是一个系统服务。因此它肯定是基于Binder实现的。
    接下来的分析中，时刻记得使用aidl工具生成那三个类：IXXX、IXXX.Stub和IXXX.Stub.Proxy，并做好对应。这样看ServiceManager的相关的代码就容易多了。1.与IXXX相对应的类就是IServiceManager类，封装了远程调用的几个主要函数。
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    public interface IServiceManager extends IInterface
    {
    public IBinder getService(String name) throws RemoteException;
    public IBinder checkService(String name) throws RemoteException;
    public void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated)
    throws RemoteException;
    public String[] listServices() throws RemoteException;
    public void setPermissionController(IPermissionController controller)
    throws RemoteException;
    static final String descriptor = "android.os.IServiceManager";
    int GET_SERVICE_TRANSACTION = IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION;
    int CHECK_SERVICE_TRANSACTION = IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION+1;
    int ADD_SERVICE_TRANSACTION = IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION+2;
    int LIST_SERVICES_TRANSACTION = IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION+3;
    int CHECK_SERVICES_TRANSACTION = IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION+4;
    int SET_PERMISSION_CONTROLLER_TRANSACTION = IBinder.FIRST_CALL_TRANSACTION+5;
    }

    2.与IXXX.Stub对应的类就是ServiceManagerNative。[java] view plaincopy

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    public abstract class ServiceManagerNative extends Binder implements IServiceManager{
    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);
    }

    public ServiceManagerNative() {  
    attachInterface(this, descriptor);  
}  
  
public boolean onTransact(int code, Parcel data, Parcel reply, int flags){  
    try {  
        switch (code) {  
        case IServiceManager.GET_SERVICE_TRANSACTION: {  
            data.enforceInterface(IServiceManager.descriptor);  
            String name = data.readString();  
            IBinder service = getService(name);  
            reply.writeStrongBinder(service);  
            return true;  
        }  
        case IServiceManager.ADD_SERVICE_TRANSACTION: {  
            data.enforceInterface(IServiceManager.descriptor);  
            String name = data.readString();  
            IBinder service = data.readStrongBinder();  
            boolean allowIsolated = data.readInt() != 0;  
            addService(name, service, allowIsolated);  
            return true;  
        }  
        // ...  
    } catch (RemoteException e) {  
    }  
      
    return false;  
}  
public IBinder asBinder() {  
    return this;  
}

    }

    3.与IXXX.Stub.Proxy对应的类ServiceManagerProxy[java] view plaincopy

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    class ServiceManagerProxy implements IServiceManager {
    public ServiceManagerProxy(IBinder remote) {
    mRemote = remote;
    }

    public IBinder asBinder() {  
    return mRemote;  
}  
  
public IBinder getService(String name) throws RemoteException {  
    Parcel data = Parcel.obtain();  
    Parcel reply = Parcel.obtain();  
    data.writeInterfaceToken(IServiceManager.descriptor);  
    data.writeString(name);  
    mRemote.transact(GET_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);  
    IBinder binder = reply.readStrongBinder();  
    reply.recycle();  
    data.recycle();  
    return binder;  
}  
public void addService(String name, IBinder service, boolean allowIsolated) throws RemoteException {  
    Parcel data = Parcel.obtain();  
    Parcel reply = Parcel.obtain();  
    data.writeInterfaceToken(IServiceManager.descriptor);  
    data.writeString(name);  
    data.writeStrongBinder(service);  
    data.writeInt(allowIsolated ? 1 : 0);  
    mRemote.transact(ADD_SERVICE_TRANSACTION, data, reply, 0);  
    reply.recycle();  
    data.recycle();  
}  
// ....  
private IBinder mRemote;

    }

    观察上面的代码，实际上和使用adil生成的代码没什么两样。仅仅是类命名不一样，将三个类分开写了而已。
    不用看源代码也知道接下来该怎么做了吧？！当然就是在服务端继承ServiceManagerNative类实现里面的相关方法就能实现服务端，然后在客户端将远程服务端所对应的的Binder封装成IServiceManager iSm = ServiceManagerNative.asInterface(binder)即可，正常情况下确实是这样的。实际上，在源码中找不到继承自ServiceManagerNative类的远程服务端类，比如说ServiceManagerService，根本就找不到这样一个类。原因是SMS在native层被实现成一个独立的进程，是在启动后解析init.rc脚本启动服务的。native层的代码没必要去研究，那么这个远程的Binder怎么获得呢？系统提供的函数BinderInternal.getContextObject()来获得对应的Binder引用。还是ServiceManager比较特殊嘛，毕竟对于“DNS”来说不得一开机就启动，还与其他“主机”有点差别，但是其他的系统服务就和上面我们想象的那样是一样的了。
    这里要说明一点，虽然SMS服务时在native层，获取远程服务却并不一定非要在native层实现，使用Binder构架与是用什么语言没必然关系。
    当然了，这里的ServiceManagerNative确实没什么用，如果要说有用，就是他的静态方法asInterface吧。但不知道为什么android源码中还有这个类的存在，至少这样让我们隐约感觉Binder通信的框架就是这样的，提高了一致性。
    接下来我们看ServiceManager类
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    public final class ServiceManager {
    private static final String TAG = "ServiceManager";
    private static IServiceManager sServiceManager;
    // 本地有缓存
    private static HashMap<String, IBinder> sCache = new HashMap<String, IBinder>();
    private static IServiceManager getIServiceManager() {
    if (sServiceManager != null) {
    return sServiceManager;
    }
    // Find the service manager
    sServiceManager = ServiceManagerNative.asInterface(BinderInternal.getContextObject());
    return sServiceManager;
    }
    public static IBinder getService(String name) {
    try {
    IBinder service = sCache.get(name);
    if (service != null) {
    return service;
    } else {
    // 其实是IPC调用，具体会调用
    return getIServiceManager().getService(name);
    }
    } catch (RemoteException e) {
    Log.e(TAG, "error in getService", e);
    }
    return null;
    }
    public static void addService(String name, IBinder service) {
    try {
    getIServiceManager().addService(name, service, false);
    } catch (RemoteException e) {
    Log.e(TAG, "error in addService", e);
    }
    }
    // ...
    }

    ServiceManager类其实就是对远程的SMS服务的Binder的封装。使用ServiceManagerNative.asInterface(BinderInternal.getContextObject());将其转化为sServiceManager接口，接下来使用该对象即可完成IPC调用。
    举个例子比如调用ServiceManager的getService方法，实际上会ServiceManagerProxy走到ServiceManagerProxy类的getService方法里面去，然后就是向服务端发消息。当然这些细节就不用考虑了，因为android的Binder机制封装的就是这么完美，你不用关注底层细节。
    ActivityManager：
    再看看ActivityManager中的Binder。
    IActivityManager对应IXXX接口
    ActivityManagerNative对应IXXX.Stub类，继承自Binder类。
    ActivityManagerProxy对应IXXX.Stub.Proxy类。
    那么AMS的服务端是那个类呢？没错，就是ActivityManagerService类，这个类继承自ActivityManagerNative，实现了IActivityManager接口中的方法用来进行IPC。
    那么只要在客户端得到了这个远程服务端的Binder引用就可以进行IPC通信了，事实确实是这样的。举个栗子，在ActivityThread的attach方法里有下面两行代码
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    IActivityManager mgr = ActivityManagerNative.getDefault();
    mgr.attachApplication(mAppThread);

    而getDefault方法代码如下
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    static public IActivityManager getDefault() {
    return gDefault.get();
    }
    private static final Singleton<IActivityManager> gDefault = new Singleton<IActivityManager>() {
    protected IActivityManager create() {
    // 这里可以看到通过调用getService方法得到Binder
    IBinder b = ServiceManager.getService("activity");
    if (false) {
    Log.v("ActivityManager", "default service binder = " + b);
    }
    IActivityManager am = asInterface(b);
    if (false) {
    Log.v("ActivityManager", "default service = " + am);
    }
    return am;
    }
    };

    显然，ActivityManagerNative.getDefault()就可以得到远程的activity的服务AMS对应的Binder引用，并且调用asInterface将其转化为IActivityManager，接下来调用接口中的函数即可和远端的AMS通信。一般来说，对于其他的Service一般就是通过ServiceManager来获取对应的Binder。
    当然，如果还想弄的更清楚点还需要知道这个系统服务是在哪里启动和将Binder添加到SystemServer中的。
    在SystemServerr进程的init2函数中启动ServerThread线程，这个线程中启动了很多系统服务，而每个系统服务都是一个线程。ServerThread的run方法大概有1000行，里面启动了系统服务，不同的服务有不同的启动方法。
    比如这里的AMS是通过调用context = ActivityManagerService.main(factoryTest)实现的。main函数里面启动了AThread线程。
    接下来又调用了ActivityManagerService.setSystemProcess();
    [java] view plaincopy

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    public static void setSystemProcess() {
    ActivityManagerService m = mSelf;
    ServiceManager.addService("activity", m, true);
    ServiceManager.addService("meminfo", new MemBinder(m));
    ServiceManager.addService("gfxinfo", new GraphicsBinder(m));
    ServiceManager.addService("dbinfo", new DbBinder(m));
    // ....
    }

    这里的m是在AThread线程中new出来的ActivityManagerService实例。至此，就完成了服务的启动和向ServiceManager中的添加。当然里面有很多细节，这里主要是跟踪Binder通信的过程。

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